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Elementary SQL

Primitive Type

空值 (null)：任何 數據類型 都可能包含 空值。空值 表達語義 缺失的值。

對於使用 char 類型存放的 字符串，會自動執行 末尾補空格 策略。

但請註意，當我們使用 char 和 varchar 進行 相等性測試時，行為 將是 未定義的，某些實現可能會 自動為varchar在末尾補空格。

出於這點考慮，建議 永遠只使用varchar

Define a Database Pattern

General Form

CREATE TABLE r
(Attribute1 Domain1,
 Attribute2 Domain2,
 ...,
 Attributen Domainn,
 <Integrity Constraint>,
 ...,
 <Integrity Constraint>);

域 (Domain) ：用於指定 與域相關聯的屬性 的 數據類型 以及 約束

Example

CREATE TABLE teaches(
id varchar(5),
course_id varchar(8),
section_id varchar(8),
semester varchar(6),
year numeric(4,0),
PRIMARY KEY (id, course_id, section_id, semester, year),
FOREIGN KEY (course_id, section_id, semester, year) REFERENCES section,
FOREIGN KEY (id) REFERENCES instructor    
);

Basic DML

Insert

INSERT INTO instructor VALUES (10211, 'Smith', 'Biology', 66000);

Delete

• Delete a Relationship

DROP TABLE r;

• Delete Tuple

DELETE FROM student;

可以使用 DELETE FROM r來刪除 關系中的所有元組，但 保留關系的模式定義

Alter

ALTER TABLE r ADD attribute domain;

ALTER TABLE r DROP attribute;

某些 數據庫 僅僅支持 刪除整個關系 ，而不支持 刪除關系中的某個屬性。

Basic Structure

SQL 的 基本查詢 由 SELECT，FROM，WHERE 三大 子句 所構成。

Single-Relation query

SELECT name
FROM instructor;

數學 上的 關系 本質是 集合，不允許 重復元素。

但 維護元素的唯一性 的 代價 非常大，在 數據庫 中則是 允許關系中的元素發生重復

• all 和 distinct

對於 SELECT 來說，去重選項 默認為 ALL 即表示 不去重。

SELECT ALL dept_name
FROM instructor;

也可以手動指定為 distinct 表示需要進行 去重

SELECT DISTINCT dept_name
FROM instructor;

使用 WHERE子句 可以從 FROM子句的結果關系 中 篩選 出 使得謂詞為True的元組

SELECT name
FROM instructor
WHERE deptname  'Comp.Sci.' AND salary > 70000;

Multi-Relation query

General Form

多表查詢 的 通用格式

SELECT attribute1, attribute2, ..., attributen
FROM r1, r2, ..., rn
WHERE P;

其中，每種 子句 的作用如下：

• SELECT子句：從 WHERE子句給出的元組 中 投影 指定的 屬性列表
• FROM子句：給出 作為數據輸入的 的 關系列表
• WHERE子句：過濾出 使得 謂詞 為 True 的 FROM子句中的元組

數據庫 執行 查詢 的 順序 與 書寫順序 不太一樣：$FROM \to WHERE \to SELECT$

可以將 SELECT子句 看作是一種 語言學方面的結構提前，這種 形式提前 有利於我們 快速地了解輸出的結構是什麽

WHERE子句 的 默認值 為 WHERE true

FROM子句 會為 關系列表 中的 所有關系 都進行 笛卡爾積運算，通常會產生一個 非常巨大的結果關系

實際上，大部分情況下並不會真的 生成 關系列表中所有關系的笛卡爾積。

因為 查詢優化器 會 事先過濾掉 大部分不可能滿足WHERE子句的元組，使得 FROM子句 輸出的 結果關系 規模 大幅度減小

對於 FROM instructor, department 來說，就是對 instructor關系 和 department關系 進行 笛卡爾積 作為 結果關系

Match Condition Specified by Where Clause

通過 Where子句 指定 匹配條件

SELECT name, course_id
FROM instructor, teaches
WHERE instructor.ID = teaches.ID;

當 屬性名 僅出現在 FROM子句所指定的關系 的 一個關系 中時，可以省略掉 屬性名的全限定前綴。

當然，總是為屬性名寫上關系名前綴 是沒有錯的。

n.b. 上述的 匹配條件 並不會查詢出 沒有教授任何課程的教師。

如果期望顯示出這些教師，則應當使用 外連接

Match Condition Specified by Natural Join

Natural Join: Compare all the common attributes

自然連接 (Natural Join)：將輸入的 2個關系 中 共有屬性 (Common Condition) 的值 均相等 的元組 作為 輸出結果

下列 查詢 的 等價形式

SELECT name, course_id
FROM instructor, teaches
WHERE instructor.ID = teaches. ID

SELECT name, course_id
FROM instructor NATURAL JOIN teaches

實際上，可以將 NATURAL JOIN語句 看作是一種形式的 宏展開 (Macro Expansion)。

先查找 兩個關系的共有屬性，然後 改寫 成 WHERE子句 形式的 謂詞：

WHERE S.common_attribute_1 = T.common_attribute_1
AND S.common_attribute_2 = T.common_attribute_2
...
AND S.common_attribute_n = T.common_attribute_n

Natural Join: Specify specific common attributes

首先，考慮下面這個 查詢

-- Query 1
SELECT name, title
FROM instructor NATURAL JOIN teaches, course
WHERE teaches.course_id = course.course_id;

n.b. teaches.course_id 追根溯源來自 teaches，我們是無法直接 引用 自然連接的結果關系 的，但可以 直接引用 參與自然連接的屬性，因為 自然連接的結果關系 中的 屬性 正來自這些 單個關系的屬性。

但是，該查詢 並不等價於 下列這個 查詢

-- Query 2
SELECT name, title
FROM instructor NATURAL JOIN teaches NATURAL JOIN course

instructor關系，teaches關系，course關系 均有 dept_name屬性。

對於 Query 1 ：則只需要考慮 這兩個關系的 dept_name屬性 的 相等，而 course關系的dept_name屬性 可以與他們不同。也就是說，該查詢會顯示出 教師所講授的課程 不是 教師所在系的課程

對於 Query 2：該查詢 只顯示 教師所教的課程 就是該教師所在系的課程

出現該問題的原因在於，在將 instructor NATURAL JOIN teaches 和 course進行 自然連接 時，course 中存在 我們不希望使用的共同屬性 即 dept_name

course關系 共有2個 共同屬性：course_id，dept_name

對此，我們可以通過 帶指定屬性列表的自然連接 (Natural Join with Specific Arrtibute List) 來改寫 Query 2

-- Query 3
SELECT name, title
FROM (instructor NATURAL JOIN teaches) JOIN course USING (course_id)

這樣，Query 3 等價於 Query 1。

n.b. 同樣的道理，可以再將 NATURAL JOIN 視為 JOIN relation USING attribute_list 的 宏展開。

默認情況下，relation_1 NATURAL JOIN relation_2 可以展開為 relation_1 JOIN relation_2 USING (common_attribute_list)

Basic Operation

Rename Operation

更名運算 (Rename Operation) 用於為 實體 指定 標識符。

它主要有以下幾種作用：

• 修改 輸出關系中的 長屬性名 修改為 短屬性名

  SELECT instructor_name AS inst_name
  FROM instructor
  

• 為 運算中間結果 指定 標識符，以便 後續對它的引用

• 用於 區分 涉及自身關系的笛卡爾積運算

  SELECT DISTINCT T.name
  FROM instructor AS T, instructor AS S
  WHERE T.salary > S.salary AND S.dept_name = 'Biology'
  

  n.b. 可以將 T 和 S 看作是 instructor關系 的 2份拷貝

  實際上，並不會真的拷貝2份關系。T 和 S 只不過是對 instructor 的 引用 而已。

  像 T 和 S 這樣 用於重命名關系的標識符 被稱為 相關名稱 (Correlation Name)，或 表別名 (Table Alias) 或 相關變量 (Correlation Variable) 或 元組變量 (Tuple Variable)

String Operation

Pattern Matching

SELECT dept_name
FROM department
WHERE building LIKE '%Watson%';

通過使用 LIKE操作符可以實現 模式匹配 (Pattern Matching)，使用如下 字符 來 定義模式：

• 百分號 (%)：匹配 任意子串
• 下劃線 (_)：匹配 任意一個字符

n.b. 盡管 SQL標準 中要求 字符串的相等運算 是 大小寫敏感的。

但 某些數據庫，如 MySQL 和 SQL Server 卻在 匹配字符串 時 不區分大小寫！

關於 字符串相等性測試 的具體詳情，應當查閱 Manual

Escape Character

LIKE 'ab\%cd%' ESCAPE '\'

使用 ESCAPE關鍵字 定義 轉義字符 為 \

Order Operation

SELECT *
FROM instructor
WHERE dept_name = 'Physics'
ORDER BY salary DESC, name ASC;

ORDER BY子句 的 默認值 為 asc，而 desc 需要手動指定。

Between Operation

-- Query 1
SELECT name
FROM instructor
WHERE salary BETWEEN 9000 AND 10000;

-- Query 2
SELECT name
FROM instructor
WHERE salary >= 9000 AND salary <= 10000;

Query 1 等價於 Query 2

n.b. 可以將 Between運算符 和 Not Between運算符 視為 基於不等式比較運算符寫法 的 宏展開。

但使用 Between 和 Not Between 使得 查詢 更加 清晰，而且更不容易 錯寫

Multi-Dimensional Tuple

考慮下列 包含多個AND的相等性測試語句

-- Query 1
SELECT name, course_id
FROM instructor, teaches
WHERE instructor.ID = teaches.ID AND dept_name = 'Biology'

以及

-- Query 2
SELECT name, course_id
FROM instructor, teaches
WHERE (instructor.ID, dept_name) = (teaches.ID, 'Biology')

Query 1 等價於 Query 2

作為一種更為 抽象 的考慮。我們可以認為 常規所書寫的相等語句 本質上就屬於 1維元組。

而如果需要同時測試 多個屬性的某種比較關系，可以使用 向量/元組。

上述僅僅是 測試 相等關系。同理，也可以用於 測試 偏序關系。

(x1, y1) < (x2, y2)

Set Operation

SQL標準 中所定義的 集合運算 都是基於 數學的集合論語義 的：所有的集合運算 會 自動去重

實際上，SQL 的 集合運算 有 兩套版本

• 自動去重的默認的distinct版本：intersect (distinct)，union (distinct) ，except (distinct)
• 不帶去重的all版本 ： intersect all，union all，except all

Intersect Operation

(SELECT course_id
 FROM section
 WHERE semester='Fall' AND year = 2009
) INTERSECT
(SELECT course_id
FROM section
WHERE semester='Spring' AND year = 2010
)

Union Operation

(SELECT course_id
 FROM section
 WHERE semester = 'Fall' AND year = 2009
) UNION
(SELECT course_id
FROM section
WHERE semester = 'Spring' AND year = 2010
)

Except Operation

(SELECT course_id
 FROM section
WHERE semester = 'Fall' AND year = 2009
) EXCEPT
(SELECT course_id
FROM section
WHERE semester = 'Spring' AND year = 2010   
)

Null

The type of operation involved

n.b. SQL標準 定義的 邏輯值 有3種：true，false，unknown。

註意 while子句 的 語義 為：過濾出 使得謂詞為true的哪些元組

n.b. 未知 (unknown) 也不是 空 (null)。

unknown不可以用 is null 或 is not null 來測試。

某些 具體實現 提供了 is unknown 來進行測試。

Equality Test

n.b. 可以認為，元組的相等性測試 實際上執行的是 另一套特殊規則：它為 null = null 返回 true

而 謂詞的相等性測試 則：為 null = null 返回 unknown

Aggregate Function

聚集函數 (Aggregate Function)：以 值的集合 作為輸入，返回 單個值 。

Basic Aggregate

SELECT avg(salary)
FROM instructor
WHERE dept_name = 'Comp.Sci.';

計算 某個關系中的元組個數

SELECT count(*)
FROM course;

若需要在 聚集操作 之前 進行 去重，則可以使用 distinct關鍵字

SELECT count(DISTINCT ID) 
FROM teaches
WHERE semester = 'Spring' AND year = '2010';

n.b. 可以認為，對於 內置的5個聚集函數 而言，默認的 去重選項 是 all

n.b. SQL標準 並不允許為 count(*) 使用 distinct。但卻可以為 min 和 max 使用 distinct。盡管這些 distinct 並不會改變 運算結果 ！

Grouped Aggregate

分組聚集 (Grouped Aggregate) ：可以先對 某個關系中的元組 進行 分組，然後再 分別地 對 每個分組 進行 聚集操作。

SELECT dept_name, avg(salary) AS avg_salary
FROM instructor
GROUP BY dept_name;

可以認為，默認情況下 省略 GROUP BY子句 意味著：將 整個關系的所有元組 分為 唯一的一組。

考慮一個 錯誤的查詢例子

-- This is a wrong query example
SELECT dept_name, ID, avg(salary)
FROM instructor
GROUP BY dept_name;

該 查詢 的問題在於，我們使用 dept_name屬性 將 instructor關系的元組 按 系 進行 分組，之後的 avg(salary) 計算的是 某個系的所有教師的平均工資。

而 ID屬性 的問題在於，對於 某個系 來說， 該系中有許多的教師，如果確實需要 輸出ID，那麽究竟要輸出 該系的所有教師中的哪一個教師的ID？

綜上，我們對於 GROUP BY 有一個規則：出現在 SELECT子句 中，但沒有被 聚集 的 屬性。必須出現在 GROUP BY 中。

Grouped Aggregate with Having Clause

SELECT dept_name, avg(salary) as avg_salary
FROM instructor
GROUP BY dept_name
HAVING avg(salary) > 42000;

HAVING 子句 在 Grouped Aggregate輸出結果 之後 才進行 過濾。

換句話說，HAVING 必須在 GROUP BY 的 分組形成後 才能 執行

同理，對 HAVING 也有類似 GROUP BY 的規則 ：出現在 HAVING子句中，但沒有被 聚集 的 屬性。必須出現在 GROUP BY中。

可以將 HAVING子句 和 WHERE子句 作類比。

• WHERE ：針對 元組

• HAVING：針對 分組

現在，我們可以這樣看待 標準的SELECT-FROM-WHERE查詢為：將 某個關系的分組 分為 唯一的一組，且 分組過濾條件 為 HAVING true

Nested Subquery

我們知道 SELECT-FROM-WHERE 返回類型為 關系，而 FROM子句 的輸入類型也為 關系，那麽 嵌套子查詢 (Nested Subquery) 應當是合理的。

• in 和 not in

SELECT DISTINCT course_id
FROM section
WHERE semester = 'Fall' AND year = 2009 
AND course_id IN (SELECT course_id
                  FROM section
                  WHERE semester = 'Spring' AND year = 2010;
);

• all 和 any/some

-- Query 1
SELECT DISTINCT T.name
FROM instructor AS T, instructor AS S
WHERE T.salary > S.salary AND S.dept_name = 'Biology';

n.b. 這種實現方式中，必須要加 DISTINCT：因為 FROM子句 輸出的 結果關系 為 2個關系的笛卡爾積，此時 結果關系 中 滿足WHERE條件的元組 會 重復

等價於

-- Query 2
SELECT name
FROM instructor
WHERE salary > some(SELECT salary
                   FROM instructor
                   WHERE dept_name = 'Biology'
                   );

n.b. 兩條關於 全稱量詞和特稱量詞 的 等價性規則：

• = some 等價於 in，但 <> some 不等價於 not in
• <>all 等價於 not in，但 = all 不等價於 in

• exists

  exists：若 作為exists參數的子查詢 產生的 結果關系 是 非空的時，則返回 true

  SELECT course_id
  FROM section AS S
  WHERE semester = 'Fall' AND year = 2009
  AND EXISTS(SELECT *
            FROM section AS T
            WHERE semester = 'Spring' AND year = 2010
            AND S.course_id = T.course_id;
  );
  

n.b. 該例子中，還有一個需要註意的地方：我們在 子查詢 中 引用 了 子查詢外部的標識符 S.course_id。

我們稱 這樣的子查詢 為 相關子查詢 (Correlated Subquery)：使用了 來自外層查詢的相關名稱 的 子查詢

關於 子查詢 中對 標識符 的 引用規則，可以類比於 PL中的變量作用域規則

not exists 可以用於 測試 子查詢的結果集 中 是否不存在元組。

我們可以利用這個 特性 來模擬 集合的包含關系

-- use not exists to represent subset relationship
SELECT S.ID, S.name
FROM student AS S
WHERE NOT EXISTS(
    (SELECT course_id
     FROM course
     WHERE dept_name = 'Biology'
    ) 
    EXCEPT
    (SELECT T.course_id
     FROM takes AS T
     WHERE S.ID = T.ID
    )
);

• unique

unique：若 作為unique參數的子查詢 產生的 結果關系 中 不存在重復元組，則返回 true。它為 空集 返回 true。

SELECT T.course_id
FROM course AS T
WHERE UNIQUE(SELECT R.course_id
            FROM section AS R
             WHERE T.course_id = R.course_id
             AND R.year = 2009
            )

實際上，可以利用 count() 將 exists ，not exists ，unique 和 not unique 進行 宏展開

SELECT T.course_id
FROM course AS T
WHERE 1 >= (SELECT count(R.course_id)
         FROM section AS R
         WHERE T.course_id = R.course_id
         AND R.year = 2009
        )

解釋：WHERE子句 將對 T關系中的每個元組 進行 測試，判斷 嵌套子查詢 中 與該元組相等的元組的個數 是否 小於等於1

該例子中，通過 course_id 作為 主鍵 來判斷 兩個元組是否相等。

而 AND R.year = 2009 僅僅是 附加的過濾條件

n.b. unique 判斷 元組是否重復 是基於 元組的相等性測試 的。故如果 兩個元組中的某個元組的某個屬性 為 null，則 這兩個元組 不相等。

換句話說，使用 unique 判斷 某些屬性為空的元組 是否 重復 是錯誤的：

在這種情況下，盡管 某個元組確確實實有多個副本，但 該元組有一個屬性為空，則 元組的相等性測試 將永遠為 false，進而使得 unique 永遠返回 true

• FROM子查詢

可以利用 FROM子查詢 來 去除 HAVING子句

-- Query 1
SELECT dept_name, avg(salary) as avg_salary
FROM instructor
GROUP BY dept_name
HAVING avg(salary) > 42000;

等價於

-- Query 2
SELECT dept_name, avg_salary
FROM (SELECT dept_name, avg(salary)
     FROM instructor
     GROUP BY dept_name) AS dept_avg(dept_name, avg_salary)
WHERE avg_salary > 42000;

該 轉化 的思想在於：HAVING子句 實際上的 執行時機 是在 GROUP BY產生結果關系之後，再對 結果關系(也就是一些分組) 進行 過濾。

因此，我們可以 先獲得作為結果關系的這些分組，然後再 對這些分組進行過濾。

• WITH子句

WITH子句：用於定義 僅對包含with子句的查詢可見 的 臨時關系

WITH dept_total(dept_name, value) AS (SELECT dept_name, sum(salary)
                                     FROM instructor
                                     GROUP BY dept_name),
    dept_total_avg(value) AS (SELECT avg(salary)
                             FROM dept_total)
SELECT dept_name
FROM dept_total, dept_total_avg
WHERE dept_total.value >= dept_total_avg.value;

n.b. 使用 WITH子句 可以 非常有效地 去除 嵌套子查詢。

如果可能，應當盡量使用WITH子句來消除嵌套子查詢

• 標量子查詢 (Scalar Subquery)

SQL 會 自動地 將 僅含有單屬性單元組的關系 解包為 單個值。

SELECT name
FROM instructor
WHERE salary < (SELECT avg(salary)
               FROM instructor)

n.b. 從 本質 上來說， 標量子查詢 返回的 數據類型 是確確實實的 關系。

只不過，在 SQL 實現中可以自動地 對這種類型的關系 進行 拆包。這類似於 Java 中的 Auto Boxed/Unboxed

SQL編譯器 並無法 檢測 標量子查詢 是否真的符合要求。

如果在 運行時 發現 需要輸入單個值的地方 所使用的 標量子查詢 包含 多個值，則會導致 運行時錯誤

Modifying Operation

Delete

考慮該例子的 語句執行順序

-- This is a wrong example
DELETE FROM instructor
WHERE salary < (SELECT avg(salary)
               FROM instructor)

請註意，我們所編寫的SQL語句 應當 滿足 ：在該語句進行 修改性操作 之前，必須先 測試所有的元組，將 符合測試條件的元組 加入到 待刪除列表，之後再 一次性地 執行 修改性操作。

註意：這裏所說的 修改性操作 不僅僅是指 Delete，包括 Insert 和 Alter 都有 類似的問題

該問題類似於 ArrayList的並發修改問題，當我們對 正在遍歷中的列表 進行 修改性操作 時，必須保證 最終的效果 不依賴於 修改性操作所執行的順序

給出 MySQL 8.0 以上版本將 拒絕執行該語句 並且 返回錯誤

1093 - You can't specify target table 'instructor' for update in FROM clause

Insert

常用的插入操作

INSERT INTO course(course_id, title, dept_name, credits)
VALUES ('CS-437', 'Database Systems', 'Comp. SCi.', 4);

INSERT INTO instructor
SELECT ID, name, dept_name, 18000
FROM student
WHERE dept_name = 'Music' AND total_cred > 144;

-- This is a wrong example
INSERT INTO student
SELECT *
FROM student

該語句 可能會導致無限遞歸插入，這取決於 數據庫的具體實現。

經過實際測試，MySQL 8.0 以上可以 正常地執行該語句，並且 查詢會終止。

它的 語義 為：將 表中的所有元組 按照 順序 克隆一份插入到表的末尾

Alter

當 update語句 之間 受語句執行順序 所 影響 時，可以使用 case結構

-- SQL 1
UPDATE instructor
SET salary = salary * 1.03
WHERE salary > 100000

-- SQL 2
UPDATE instructor
SET salary = salary * 1.05
WHERE salary <= 100000

為了 正確地表達語義，我們可以使用 case 結構來 正確表述執行順序之間相互影響的語句

UPDATE instructor
SET salary = CASE
             WHEN salary <= 100000 THEN salary * 1.05
             ELSE salary * 1.03
             END