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第三章 SQL

3.1 SQL查詢語言概覽

SQL：結構化查詢語言。最新的SQL標準是2008。

SQL語言包括以下幾個部分：

數據定義語言（DDL）：DDL提供定義關係模式、刪除關係、以及修改關係模式的命令。
數據操作語言（DML）：DML提供從數據庫中查詢信息，以及在數據庫中插入元組、刪除元組、修改元組的能力。
完整性（integrity）：DDL包括定義完整性約束的命令，保存在數據庫中的數據必須滿足所定義的完整性約束。破壞完整性約束的更新是不允許的。
視圖定義（view definition）：DDL包括定義視圖的命令。
事務控制（transaction control）：SQL包括定義事務的開始和結束的命令。
嵌入式SQL和動態SQL（embedded SQL and dynamic SQL)：嵌入式和動態SQL定義SQL語句如何嵌入到通用編程語言，如C和C++
授權（authorization）：DDL包括定義對關係的訪問權限的命令

3.2 SQL數據定義

SQL DDL不僅能夠定義一組關係，還能定義每個關係的信息，包括：

每個關係的模式
每個屬性的取值類型
完整性約束
每個關係維護的索引集合
每個關係的安全性和權限信息
每個關係在磁盤上的物理存儲結構

3.2.1 基本類型

char(n): 固定長度的數組。當存入的值不足n位時，自動追加空格。
varchar(n): 可變長度的數組，用戶指定最大長度n
int
smallint：小整數類型
numeric（p，d）：定點數，精度由用戶指定。這個數有p位數字，其中有d位在小數點右邊。
real, double precision: 浮點數與雙精度浮點數，精度與機器有關
float（n）：精度至少爲n位的浮點數

每種類型都可能包括一個被稱爲空的特殊值。

注意：當比較char和varchar時，是否會自動在varchar類型後面追加空格取決於數據庫的實現。

3.2.2 基本模式定義

創建表：其中Ai是屬性，D1是屬性Ai的域。
- 常用的完整性約束：
  - primary key(Aj1, Aj2, ..., Ajm): 聲明屬性Aj1, Aj2, ..., Ajm爲關係的主碼。主碼必須非空且唯一。
  - foreign key (Ak1, Ak2,..., Akn) references table_B: 聲明關係中任意元組對Ak1, Ak2,..., Akn上的取值必須對應於關係table_B中某元組在主碼上的取值。
  - not null: 一個屬性上的not null約束表明該屬性上不允許控制。

注意：SQL禁止破壞完整性約束的任何數據庫更新。

create table R ( A1 D1 not null, A2 D2, ..., An Dn, <完整性約束1>， ..., <完整性約束2>);

插入元組：

insert into R (A1, A2, ..., An) values (V1, V2, ..., Vn); insert into R values (V1, V2,..., Vn);

刪除元組：

delete from R; --從表R中刪除全部元組 drop table R; --從數據庫中刪除關係R

修改關係的屬性

alter table R add A D; --給表R添加屬性A，其域爲D alter table R drop A; --刪除表R的屬性A

3.3 SQL查詢的基本結構

SQL查詢的基本結構由三個子句構成：select, from 和where。

3.3.1 單關係查詢

-- 可以包括重複數據 
select A1, A2,.., An from R; 
-- 去除重複 
select distinct A1, A2,.., An from R; 
-- 顯示的不去除重複 
select all A1, A2, ..., An from R; 
-- select子句可以含有+-*/運算符的算術表達式；運算對象可以是常數或元組的屬性。 
select A1, A2, ..., A3 * 1.1 from R; 
-- where子句可以包括邏輯連詞and, or 和not 
-- 邏輯連詞的運算對象可以使包含比較運算符的<, <=, >, >=, = 和<>的表達式 
select A1, A2, ... An from R where A1=V1 and A2=V2;

3.3.2 多關係查詢

SQL查詢的基本結構由三個子句構成：select, from 和where子句構成：

select子句：列出查詢結果中所需要的屬性
from子句：一個查詢求值中需要訪問的關係列表
where子句：一個作用在from子句中關係的屬性上的謂詞

執行順序：from->where->select。

在SQL的實際實現中，它會通過儘可能只產生滿足where子句謂詞的笛卡爾積元素來進行優化執行。如果省略where子句，則會輸出笛卡爾積。

3.3.3 自然連接

笛卡爾積：它將第一個關係的每個元組與第二個關係的所有元組都進行連接。

自然連接：只考慮連接在兩個關係上都出現的屬性上取值相同的元組對。

-- 在R1和R2上都有的屬性做連接 
select A1, A2,...,An from R1 natrual join R2; 

-- 在僅在A1和A2屬性連接R1和R2 - 自然連接的一種形式 
-- 相當於 select A1, A2,...,An from R1, R2 where R1.A1=R2.A1 and R1.A2 = R2.A2; 
select A1, A2,...,An from R1 join R2 using (A1, A2);

例如：

select name, course_id from instructor, teaches where instructor.ID = teaches.ID; 
--可以簡寫爲： 
select name, course_id from instructor natural join teaches;

3.4 附加的基本運算

3.4.1 更名運算 as

oldname as newname 
-- 找出滿足下麪條件的所有教師的姓名，他們的工資至少比Biology系的某一個教師的工資要高 
select distinct T.name from instructor as T, instructor as B where T.salary>S.salary and S.dept_name = 'Biology'; 
/*其中T和S 被稱作相關名稱(correlation name)/表別名（table alias）/相關變量（correlation variable）/元組變量（tuple variable)*/

3.4.2 字符串運算

字符串上可以使用的常見函數：

upper(s)：將字符串s轉爲大寫
lower(s)：將字符串s轉爲小寫
trim(s): 去掉字符串後面的空格

在字符串上使用like操作符實現模式匹配：

百分號(%): 匹配任意字符
下劃線（_）: 匹配任意一個字符

模式是大小寫敏感的。

'Intro%' - 匹配“Intro”打頭的字符串 
'%Comp%' - 匹配任何包括“Comp”子串的字符串 
'___' - 匹配只含三個字符的字符串 
'___%' - 匹配至少包含三個字符的字符串 

// 可以使用escape關鍵字來定義轉義符 like 'ab\%cd%' escape 
'\' - 匹配以“ab%cd”開頭的字符串

3.4.3 select 子句中的屬性說明

select R.* from R;

3.4.4 排列元組的顯示次序 order by

order by 默認使用升序排列，asc表示升序，desc表示降序

select * from R order by A1; select * from instructor order by salary desc, name asc;

3.4.5 where子句謂詞

between, not between關鍵字

select name from instructor where salary between 90000 and 100000;

在元組上使用比較運算符, 那麼會按照字典順序進行比較

select name, course_id from instructor, teaches where instructor.ID= teaches.ID and dept_name = "Biology"; 
--可以重寫爲： 
select name, course_id from instructor, teaches where (instructor.ID, dept_name) = (teaches.ID, 'Biology');

3.5 集合運算

並運算union、union all：與select子句不同，union運算會自動去除重複；若想保留重複，需要使用union all

(select course_id from section where semester = "Fall" and year = 2019) union (select course_id from section where semester = "Spring" and year = 2020)

交運算intersect、intersect all: intersect運算也會自動去除重複

(select course_id from section where semester = "Fall" and year = 2019) intersect (select course_id from section where semester = "Spring" and year = 2020)

差運算except、except all: except運算也會自動去除重複

(select course_id from section where semester = "Fall" and year = 2019) except (select course_id from section where semester = "Spring" and year = 2020)

3.6 空值null

空值運算規則：

如果算數表達式（+-*/）的任意輸入爲空，則該算數表達式結果爲空
涉及空值的任何比較運算的結果視爲unknown（既不是謂詞is null, 也不是is not null），是true和false之外的第三個邏輯值

擴展到unknown的布爾運算：

and:
- true and unknown ===> unknown
- false and unknown ===> false
- unknown and unknown ===> unknown
or:
- true or unknown ===> true
- false or unknown ===> unknown
- unknown or unknown ===> unknown
not
- not unknown ==> unknown

注意：

select distinct會去除重複元組。在該過程中，需要比較兩個元組的對應的屬性值。如果兩個值都是非空並且值相等，或者都爲空，那麼它們是相同的。

但是這與謂詞對待空值的方式不同，謂詞中null = null 會返回unknown，而不是true。

3.7 聚集函數

聚集函數是以值的一個集合爲輸入，返回單個值的函數。

常用的聚集函數：
- 平均值 avg
- 最小值 min
- 最大值 max
- 總和 sum
- 計數 count
分組聚集 group by
having子句：對分組限定條件。

包含having和group by 子句的查詢的執行順序：

先根據from子句計算出一個關係
如果出現where子句，where子句中的謂詞將應用到from子句的結果關係上
如果出現group by，則對上面的結果形成分組
如果出現having，則執行哈慈那個語句
執行select子句

對空值null進行聚集的原則：除了count(*)外，所有的聚集函數都會忽略輸入集合中的空值

3.8 嵌套子查詢

SQL提供嵌套子查詢機制。子查詢是嵌套在另一個查詢中的select-from-where表達式。

3.8.1 集合成員資格：in, not in

in: 測試元組是否是集合中的成員

not in: 測試元組是否不是集合中的成員

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)

3.8.2 集合的比較

some:
- < some, <=some, >=some, = some, <>some

注意：= some 等價於 in， <>some不等價於not in

select name from instructor where salary > some (select salary from instructor where dept_name = 'Biology');

all:
- < all, <=all, >=all, = all , <>all

注意：<>all 等價於not in, =al不等價於in

select name from instructor where salary > all (select salary from instructor where dept_name = 'Biology');

3.8.3 空關係測試：exists, not exists

exists: 測試一個子查詢的結果中是否存在元素

not exists: 測試一個子查詢的結果中是否不存在元素

3.8.4 重複元組存在性測試unique

unique：用於測試一個子查詢的結果中是否含有重複元組。

not unique: 用於測試在一個子查詢結果中是否存在重複元組

-- 找出所有在2009年最多開過一次的課程 
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) 
-- 找出所有在2009年最少開過兩次的課程 
select T.course_id from course as T where not unique (select R.course_id from section as R where T.course_id = R.course_id and R.year = 2009)

3.8.5 from子句中的子查詢

注意：有的數據庫可以支持對嵌套子查詢的進行屬性重命名。但是oracle不支持。

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;

from子句中的嵌套子查詢不能使用凱子from子句中其他關係的相關變量，但是SQL 2003允許from子句中的子查詢使用關鍵詞lateral最爲前綴，以便訪問from子句中在它前面的表或子查詢中的屬性。

-- 打印每位教師的姓名，工資以及他們所在的系的平均工資 
select name, salary, avg_salary from instructor I1, lateral (select avg(salary) as avg_salary from instructor I2 where I2.dept_name = I1.dept_name);

3.8.6 with子句

with子句提供定義臨時關係的方法，這個定義只對包含with子句的查詢有效。

-- 找出具有最大預算值的系 
with max_budget(value) as (select max (budget) from department) select budget from department, max_budget where department.budget = max_budget.value;

3.8.7 標量子查詢scalar subquery

若子查詢返回單個屬性的單個元組，則該子查詢稱爲標量子查詢。標量子查詢可以出現select-from-where子句以及having子句中。

-- 列出所有的系，即它們所擁有的教師數 
select dept_name, (select count(*) from instructor where department.dept_name = instructor.dept_name) as num_instructors from department;

3.9 數據庫的修改

刪除

delete from r where P;

插入

insert into r values (v1, v2, ..., vn); 
-- 在執行insert前，先執行完select語句 
insert into r (select (A1, A2, ..., An) from r where P);

更新

update r set A1 = v1 where P; 
-- case結構 
case when pred1 then res1 when pred2 then res2 ... when predn then resn else res0 end 
/* 更新每個student的tot_cred屬性值設爲該生成功 學完的課程的總學分。grade既不是F也不是null，則表明成功學完了該門課程*/
update student S set tot_cred = ( select sum(credits) from takes natural join course where S.ID = takes.ID and takes.grade<>'F' and takes.grode is not null ); 
/*如果學生沒有成功完成任何一門課程，則tot_cred被設置爲null。 如果希望將這樣的屬性值設爲0，那麼需要使用另一條update */
-- ===>上述sql可改寫爲 
update student S set tot_cred = ( select case when sum(credits) is not null then sum(credits) else 0 end from takes natural join course
where S.ID = takes.ID and takes.grade<>'F' and takes.grode is not null);

總結：

SQL語言包括幾部分：
- 數據定義語言DDL：提供了定義關係模式、刪除關係以及修改關係模式的命令
- 數據操作語言DML：包括查詢語言、以及向數據庫中插入、刪除、修改元組的命令
SQL的數據定義語言用於創建具有特定模式的關係。除了聲明關係屬性的名稱和類型之外，SQL還允許聲明完整性約束，例如主碼約束和外碼約束
SQL提供了多種用於數據查詢的語言結構：select-from-where子句。SQL支持自然連接操作。
SQL提供了對屬性和關係的重命名，以及對查詢結果按照特定屬性排序的機制
SQL支持關係上的基本集合運算，包括：並、交、和差運算
SQL通過true，false和unknown來處理包含空值的關係的查詢
SQL支持聚集函數、可以把關係進行分組，每個分組上單獨運用聚集函數。SQL還支持分組上的集合運算。
SQL支持在外層查詢的where和from子句中嵌套子查詢。它還在一個表達式返回的單個值所允許出現的地方支持標量子查詢。
SQL提供了更新、插入、刪除信息的結構。

《數據庫系統概念》學習筆記——第三章 SQL