前 言
???? 作者简介：半旧518，长跑型选手，立志坚持写10年博客，专注于java后端
☕专栏简介：相当硬核，黑皮书《数据库系统概念》读书笔记，讲解：
1.数据库系统的基本概念(数据库设计过程、关系型数据库理论、数据库应用的设计与开发…)
2.大数据分析(大数据存储系统，键值存储，Nosql系统，MapReduce，Apache Spark，流数据和图数据库等…)
3.数据库系统的实现技术(数据存储结构，缓冲区管理，索引结构，查询执行算法，查询优化算法，事务的原子性、一致性、隔离型、持久性等基本概念，并发控制与故障恢复技术…)
4.并行和分布式数据库(集中式、客户-服务器、并行和分布式，基于云系统的计算机体系结构…)
5.更多数据库高级主题(LSM树及其变种、位图索引、空间索引、动态散列等索引结构的拓展，高级应用开发中的性能调整，应用程序移植和标准化，数据库与区块链等…)
???? 文章简介：SQL语言是一种“查询语言”，但除了查询数据库，他还有很多功能：定义数据结构、修改数据库中数据以及定义安全性约束，学习SQL重点不是学习整个完整的用户手册，而是其基本结构和概念，工作中入门SQL，看这篇就足够了。
文章目录
1 SQL查询语言概览
SQL(strctured Query Language)包括以下几个部分：
- 数据定义语言DDL:提供定义关系模式、修改关系模式和删除关系模式的命令
- 数据操纵语言DML：提供从数据库中查询信息，以及插入、删除、修改元组的能力
- 完整性：DDL包括完整性约束的命令，保存在数据库中的数据必须满足定义的完整性约束。
- 视图定义：DDL包括定义视图的命令。
- 事务控制：SQL包括定义事务开始点和结束点的命令。
- 嵌入式SQL和动态SQL。嵌入式和动态SQL定义SQL语句如何嵌入诸如C、C++和Java这样的通用编程语言。
- 授权：SQL和DDL包含定义对关系和视图的访问权限的命令。
在本篇文章，我们学习最基本的DDL和DML，这是SQL-92标准以来就一直存在的部分。工作中，后端开发工程师们最常用的就是这部分内容。
2 SQL数据定义
2.1 基本类型
SQL支持的基本类型如下(后续文章将介绍更多)。
- char(n),定长字符串。
- varchar(n),最大长度为n的变长字符串
- int：整数(依赖于机器的整数的有限子集)
- smallint:小整数(依赖与机器的整数类型的子集)
- numeric(p,d)：总长度为p，小数点右边有d位数字的指定精度定点数。
- real,double precision：浮点数和双精度浮点数，精度依赖于机器
- float(n)：精度至少为n位数字的浮点数。
每种类型都可能包含一个空值，这是一个特殊值，表示一个缺失的值，它有可能存在但不为人所知，有可能根本不存在。在特定情况下，可能希望禁止加入空值。
char是定长的，如果存入的属性长度没有n，会追加空格补全。因此char和varchar类型的数据可能无法比较，因为即使他们存的是相同的值，也可能返回false，建议始终使用varchar避免这样的问题。下表是一些char，varchar存储数据的实例对比。
SQL还提供nvarchar类型来存放使用Unicode表示的多语言数据。然而，很多数据库甚至允许在varchar类型中存放Unicode(采用utf-8形式)。
2.2 基本模式定义
(1)创建关系
创建一个关系，很简单。顺带一提，最后的分号是可选的。
create table test
(
test_id int,
test_depat_name varchar(15),
test_price numeric(12,2) not null,
test_desc varchar(255),
primary key(test_id)，
foreign key(test_dept_name) references department
)；
上面使用了主键约束primary key,外键约束foreign key,非空约束 not null。值得关注的是，包括Mysql在内的数据库需要使用另一种外键约束的用法:foreign key(test_dept_name) references department(dept_name)
(2)删除关系
drop table r;
这个命令会删除r中所有元组，并且删除关系。下面的sql更弱点，会删除元组，但是保留关系。
delete form r;
(3)修改关系结构
给关系r增加属性A，其类型为D。
alter table r add A D;
删除关系中的属性。
alter table r drop A;
3 SQL查询的基本结构
在讲解前，先放下后续会用到的一些表(除此外还有department，emp这种简单的表结构)。
3.1 单关系查询
查询并去重。
SELECT DISTINCT ename FROM emp;
SQL还允许显示指定不去重,但它是可以缺省的元素。
SELECT ALL ename FROM emp;
可以结合+,-,*,/运算符来使用select子句。
SELECT ename, salary * 1.1 FROM emp;
where子句可以增加查询条件。
select * from emp where sal between 2000 and 3000;
在SQL中，比较运算符>,<等等可以用来比较字符串、算数表达式以及特殊类型(如日期)。
3.2 多关系查询
我们可以在where子句中指定匹配条件，然后进行多关系查询。
select
e.empno,e.ename,d.dname,e.deptno,d.deptno
from
emp e,dept d
where e.deptno=d.deptno;
上面的实例给关系取了别名，这是区分不同关系中的同名属性的好办法。
事实上查询时，select,from,where子句并不是顺序执行的。正确的理解如下。
1.为from所列出的关系产生笛卡尔积。
2.在1的结果上应用where子句中指定的谓词。
3.对步骤2的结果中的每个元组，输出select子句中指定的属性(或表达式的结果)。
可以料想到，where子句十分关键，否则结果会直接输出笛卡尔积，那可是相当大的数据量
4 附加的基本运算
4.1 更名运算
对属性可以使用更名运算进行更名。
SELECT emp_department AS edept FROM emp;
还可以用它来重命名关系，重命名关系的一个原因时把一个长的关系名替换成为短的。
select
e.empno,e.ename,d.dname,e.deptno,d.deptno
from
emp as e,dept as d
where e.deptno=d.deptno;
除此外，一个关系与自身进行笛卡尔积运算也需要使用重命名。比如找出至少比运维部门某一位员工工资更高的所有员工姓名。
select distinct T.name
from emp as T,emp as S
where T.sal > S.sal and S.deptname = '运维部';
4.2 字符串运算
在SQL标准中，字符串的相等运算是大小写敏感的。但是在一些数据库中(如Mysql和SQL Server)，在匹配字符串时并不区分大小写。
字符串可以应用许多函数运算，比如连接字符串(||),提取子串，去字符串后空格trim等等。不同数据库系统提供的函数集是不同的，具体可以查阅数据库系统手册。
使用like可以进行模糊匹配。有两个特殊的字符串可以用来描述模式。
- 百分号
%:匹配任意字串 - 下划线
_：匹配任意一个字符
模式是大小写敏感的(Mysql中除外，PostgreSQL使用ilike大小写也不敏感)。
另外，为了能够使模式包含特殊字符(%和_),SQL允许使用escape关键字定义转义字符。如。
like 'ab\%cd% escape '\'表示匹配以'ab%cd开头的所有字符。
SQL标准还允许我们通过not like比较运算符来搜索不匹配想。一些实现还提供了不区分大小写的变种。
一些SQL实现，特别是PostgreSQL，提供了similar to运算。它具备比like更强大的模式匹配能力，其模式定义语法类似UNIX中使用的正则表达式。
4.3 排序
使用order by关键字就可以实现排序了。desc表示降序，asc表示升序，缺省时默认升序。
select
empno, ename
from emp
where
hiredate between date '1980-01-01' and date '1981-01-01'
order by empno desc;
5 集合运算
SQL作用在关系上的union、intersect和except运算对应数学集合论中的∪、∩、-。
5.1 并运算
union会去重。
(select deptno from emp)
union
(select deptno from dept
order by deptno);
注意，上面使用()是为了方便阅读，如果数据库不允许使用可以去掉。
不想去重则可以使用union all
5.2 交运算
这个过程是如此的枯燥。
(select deptno from emp)
intersect
(select deptno from dept
order by deptno);
同理，insect all可以保留重复项。
5.3 差运算
(select deptno from emp)
except
(select deptno from dept
order by deptno);
同理，except all可以保留重复项。
6 空值
空值给包括算数运算、比较运算和集合运算在内的关系运算带来了特殊的问题。
比如，如果算术表达式的任一输入值为空，则该算术表达式(如+,-,*，/)结果为空。
对比较运算，这也是一个问题。考虑比较运算1<null的结果，这是true还是false呢？我们并不知道空值是什么，所以很难进行比较。因而SQL将任何设计空值的比较运算结果视为unknown。
由于where子句中的谓词可以对比较结果进行and,or和not的布尔运算，因此这些布尔运算的定义也被拓展成可以处理unknown值。
- and。true and unknown结果为unknown, false and unknown结果是unknown.而unknown and unknown的结果是unknown。
- or。true or unknown的结果是true，false or unknown的结果是unknown,而unknown or unknown的结果是unknown。
- not。not unknown的结果是unknown.
tips:尝试理解上面的规则。不用死记硬背。
可以使用is null和is not null来判空和判非空。还可以使用is unknown和is not unknown来判断一个比较运算的结果是否为unknown,例如
select name
from instructor
where salary > 1000 is unknown;
注意，在使用select distinct时。重复元素如果都是空，会被判为相同去重。这与谓词中的处理有区别，因为在谓词中null = null会返回unknown。
如果元组上所有属性上取值相等，那么他们会被当做相同的元组，即使某些值为空，这种方式还适用与集合的并、交、和差运算。
7 聚集函数
聚集函数是以值集为输入并返回单个值的函数，SQL标准提供了五个标准聚集函数。平均值avg,最小值min,最大值max,总和sum和计数count。其中sum和avg必须输入数字集，但是其他运算符可以作用在非数字类型的集合上。
7.1 基本聚集
先求个平均工资
select avg(salary) as avg_salary
from instructor
where dept_name = 'Comp.Sci';
注意，在求平均值时，重复值是必要的，如果先对数据进行了去重操作，求出来的平均工资就不正确了。
如果确实需要在使用聚集函数前对数据去重，可以使用distinct关键字。
select count(distinct ID)
from teachers
where semester = 'Spring' and year = 2018;
使用count(*)可以统计一个关系中的元组数量。
7.2 分组聚集
有时候我们不仅希望将聚集函数作用在单个元组集上，而且希望将其作用在一组元组集上。在SQL上可以使用group by实现。在group by子句中可以给出一个或者多个属性用来构造分组。在分组(group by)子句中所有属性上取值相同的元组会被分在一个组内。
考虑一个示例，找出每个系的平均工资。
select deptname, avg(salary) as avg_salary
from instructor
group by dept_name;
使用聚集函数的一个重要的点是，任何没有出现在group by子句中的属性，如果出现在select子句中，它只能作为聚集函数的参数。比如，下面的查询是错误的，因为ID没有出现在group by子句中，但是出现在了select子句中，而且没有被聚集。
/* 错误查询 */
select deptname, ID,avg(salary) as avg_salary
from instructor
group by dept_name;
总结来说就是，select子句中的属性只能是分组条件相关属性和聚集函数。这是因为一个特定分组的每个教师都可以有唯一的ID，但是每个分组只输出一个元组，那就无法确定要选择哪个元组值作为唯一输出。
7.3 having子句
有时候，对分组的限定条件比对元组的限定条件更有用。比如，我们只对教师的平均工资超过42000美元的那些系感兴趣，这个条件并不针对单个元组，而是针对group by子句构成的每个分组。我们可以使用having子句做到这些。SQL在形成分组以后才应用having子句中的谓词，因此在having子句中可以使用聚集函数。
select dept_name,avg(salary) as avg_salary
from instructor
group by dept_name
having avg(salary) > 42000;
与select子句类似，任何出现在having子句中，但是没有被聚集的属性必须出现在group by子句中。
7.4 对空值和布尔值的聚集
考虑如下查询:
select sum(salary)
from instructor;
如果有教师的薪资是null，SQL将忽略其值。在聚集函数中，除count(*)外的所有函数都会忽略输入集合中的空值。由于空值被忽略，聚集函数的输入值集合可能为空集，规定空集的count运算值为0，其它所有聚集运算会返回一个空值，在一些更加复杂的SQL结构中空值的影响会更加难以捉摸。
在SQL1999中引入了布尔数据类型，它可以取true，false和unknown三种值，聚集函数some和every可以应用于布尔值的集合，并分别计算这些值取(or)和取(and）的结构。
8 嵌套子查询
8.1 集合成员资格
使用in可以测试集合成员资格，使用not in可以测试集合资格的缺失，其实就是可以粗浅的理解为过滤。比如查询2017年秋季的课程，在看看他们是不是也是2018年的春季的课程集合中的成员，你当然可以使用交运算完成，但你也可以使用嵌套子查询实现。注意下面使用了distinct。
select distinct course_id
from section
where semester = 'Fall' and year = 2017 and
course_id in
(select course_id
from section
where semester = 'Srping' and year = 2018);
8.2 集合比较
之前我们有一个查询时"找出工资至少比运维部某员工的工资要高的所有员工的姓名"。之前的做法是，
select distinct T.name
from emp as T,emp as S
where T.sal > S.sal and S.deptname = '运维部';
但是我们可以使用some关键字，结合子查询实现同样的操作。
select name from emp where sal > some
(select sal
from emp where department = '运维部‘)；
还有另外一个关键字all代表所有也常常用于集合比较。练习找出平均工资最高的系。
select dept_name
from instructor
group by deptname
having avg(salary) >= all
(select avg(salary) from instructor group by dep_tname);
写起来好舒服的。
8.3 空关系测试
SQL中包含一个特性，测试一个子查询的结果是否存在元组，exist结构在作为参数的子查询非空时返回true值。我们可以用它实现"找出2017年秋季学期和2018年春季学期都开课的所有课程"。
select course_id from section as S
where semester = 'Fall' and year = 2017 and
exist(select *
from section as T
where semester = 'Spring' and year = 2018 and
S.course_id = T.course_id);
实际上它并不是特别好理解，注意比较与in在写法上的区别。上面的查询还说明了SQL的一个特性：来自外层的查询相关名称(上述查询中的S)可以用在where子句的子查询中。
使用了来自外层查询的相关名称的子查询被称为相关子查询。
在包含了子查询的查询中，在相关名称上可以应用作用域规则，根据此规则，在一个子查询中只能使用此子查询本身定义的，或者包含此子查询的任何查询中定义的相关名称，如果一个相关名称既在子查询中局部定义，有在包含该子查询的查询中全局定义，则局部定义有效。这有点类似编程语言中的局部变量的规则。
上面的相关子查询是不是觉得怪别扭的。怎么理解呢？我们来分析下它的执行步骤。
先看一个简单的例子。
select * from emp e
where sal >(select avg(sal) from emp where job = e.job);
1.首先执行外查询 select * from emp e，
2.然后取出第一行数据，将数据中的JOB传递给内查询
内查询(select avg(sal) from emp where job = e.job) 根据外查询传递的JOB来查询平均工资，此时相当于select avg(sal) from emp where job = ‘CLERK’;
3.外查询取出的第一行数据比较sal是否大于内查询查出的平均工资，若大于，则保留改行作结果显示，反之则不保留
4.依次逐行查询、比较、是否保留；类似Java的for循环一样
在回过头看上面语句的执行步骤
select course_id from section as S
where semester = 'Fall' and year = 2017 and
exist(select *
from section as T
where semester = 'Spring' and year = 2018 and
S.course_id = T.course_id);
执行步骤：
- 执行第一行，查询section表符合semester = 'Fall’以及 year = 2017的course_id值
2.然后取出外查询的第一行数据，此时S.course_id相当于明牌。找到符合semester = ‘Spring’ 和 year = 2018 两个条件，且course_id与外层查询相同的课程，有则返回true，没有则返回false。
3.内查询返回true时，则把该行数据结果保留，返回false时，则不保留
理解了吧。
自然，也存在not exist。可以用它表达超集的概念，比如”关系A包含关系B“可以表示为not exist (B except A),现在通过not exist实现"找出选修了Biology系开设的所有课程的所有学生"。
是不是觉得一头雾水，别着急，我们先翻译下题意，题目换一种表达方式就是，找出选修的课程包含Biology的所有课程的学生。
发现A包含B结构了吗？学生选修的课程是A，Biology系开设的所有课程是B。
select S.ID,S.name
not exist
(select course_id from course
where dept_name = 'Biology')
except
(select T.course_id
from take as T
where S.ID = T.ID)
再来，我们前面提到了一个查询，“找出选修了ID为10101的教师所讲授的课程段的(不同)学生总数”。
回顾下我们之前怎么做的？我们使用了in判断集合成员资格的形式进行了实现。核心套路是，大范围是否在小范围里。
select count(distinct ID)
from takes
where (course_id,sec_id,semester,year) in (select course_id,sec_id,semester,year
from teaches
where teaches.ID='10101');
现在用子查询来做看看。核心套路是，先查后筛，先查所有课程的参与学生数，再筛选器教师是否为10101，其时间段是否一致。
select count(distinct ID)
from takes
where exist (select course_id,sec_id,semester,year
from teaches
where teaches.ID='10101'
and takes.course_id = teaches.course_id
and takes.sec_id = teaches_sec_id
and takes.semester = teaches_semester
and takes.year = teaches.year
);
8.4 重复元组存在性测试
unique可以检测结果是否存在重复元组。找出2017年最多开设一次的所有课程。
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 = 2017
);
当然，not unique也是存在的。查询2017年最少开设两次的所有课程。
select 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 = 2017
);
值得注意的是，即使存在一个元组存在多个副本，只要该元组至少有一个属性为空，那么unique测试结构就有可能为真。
8.5 from子句中的子查询
前面的子查询都是在where子句中使用的，下面介绍在from子句中使用子查询。这里采用的主要观点是:任何select-from-where表达式返回的结果都是关系，因此可以被插入到另一个select-from-where表达式出现的任何位置。
考虑查询"找出系平均工资超过42000美元的那些系的教师平均工资"，先回顾下之前的做法。
select depet_name,avg(salary)
from instructor group by dept_name having avg(salary) > 42000;
现在我们不使用having子句来编写此查询。
select dept_name,avg_salary
from (select dept_name,avg(salary) as svg_salary
from instructor
group by dept_name)
where avg_salary > 42000;
看起来还挺好理解的，无非是做查询和过滤两件事。我们还可以把子查询的结果关系起个名称，并对属性进行重命名。
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;
大部分(并非全部)的SQL实现都支持在from子句中嵌套子查询，但请注意，某些SQL实现(如MYSQL和PostgreSQL)要求from子句中的每个子查询的结果关系必须被命名，即使此名称从来未被引用，Oracle允许(以省略关键字as的方式)对子查询的结果关系命名，但不支持对此关系的属性进行更名。对此问题的一种简单的应对措施是在子查询的select子句中对属性进行更名。
另外举一个栗子，“找出所有系中所有教师工资总额最大的系”。此时having子句无能为力了，但是from子查询它还行。
select max(sum_sal) from
select dept_name,sum(salary) as sum_sal
from instructor
group by dept_name;
from嵌套子查询并不能够使用来自同一from子句的其他关系的相关变量。从SQL：2003开始的SQL标准允许from子句中的子查询使用关键字lateral作为前缀，以便访问同一个from子句中在它前面的表或者子查询的属性。例如，如果我们想打印每位教师的姓名，以及它们的工资和他们所在系的平均工资，可以编写如下查询。
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);
如果没有lateral查询子句，子查询就不能访问来自外层查询的相关变量I1。
8.6 with子句(SQL:1999)
with子句提供了一种定义临时关系的方式，这个定义只对包含with子句的查询有效。考虑下面的查询，找出具有最大预算值的那些系。
with max_budget(value) as
(select max(budget)
from department)
select budget
from department,max_budget
where department.budget = max_budget.value;
神奇吧。
该查询中with子句定义了临时关系max_budget,此关系只能在同一查询的后面部分使用。with子句是在SQL:1999中引入的。有许多(但非所有)数据库系统对其提供了支持。
我们也可以使用from子句或者where子句中的嵌套子查询编写上述查询，但是嵌套子查询远不如上面的with子句逻辑清晰。它还允许一个查询内的多个地方使用这种临时关系。比如要找出工资总额大于所有系平均工资总额的所有系。
with dept_total (dept_name,value) as
(select dept_name,sum(salary)
from instructor
group by dept_name),
dept_total_avg as
(select avg(value)
from dept_total)
select dept_name
from dept_total,dept_total_avg
where depet_total.value > dept_total_avg.value;
是不是简单，清晰，好理解！
8.7 标量子查询
SQL允许子查询出现在返回单个值的表达式能够出现的任何地方，只要该子查询只返回一个包含单个属性的元组，这样的子查询成为标量子查询。举个栗子，列出所有的系以及每个系中的教师总数。
select dept_name,
(select count(*)
from instructor
where department.deptname = instuctor.dept_name)
as num_instructors
from department;
上面示例的子查询保证只返回单个值，因为它使用了不带group by的count(*)的聚集函数。
在编译时并不能总是可以判断一个子查询返回的结果中是否有多个元组，如果一个子查询在执行后其结果中有不止一个元组，则会产生一个运行时错误。
从技术上将标量子查询仍然是关系。但是当在表达式中使用标量子查询时，它出现的位置是期望单个值出现的地方，SQL就该从该关系中包含单个属性的单个元组中隐式的取出相应的值，并返回该值。
8.8 不带from子句的标量
假如我们想查找到平均每位教师所讲授的课程段数(无论是学年还是学期)，其中由多位教师讲授的课程段对每个教师进行一次计数，我们可以这么做。
(select count(*) from teaches) / (select count(*) from instructor);
尽管在诸如SQL Server在内的一些系统这样是合法的，但是在诸如Oracle在内的一些数据库则因为其缺乏from子句和报错。
在这种不支持from子句缺省的情况，可以建立一个特殊的虚拟关系，例如dual。
select
(select count(*) from teaches) / (select count(*) from instructor)
from dual;
在oracle中针对上述用途提供了一个dual的预定义关系，不要创建，如果是其他数据库，你可以创建等效的关系。
注意上面整数除整数可能会带来精度的损失，可以将两个子查询的结果乘以1.0转换为浮点数。
9 数据库的修改
9.1 删除
DELETE FROM emp
WHERE empno='8003';
太简单了，另外where子句可以和查询时一样复杂哟。
9.2 插入
INSERT INTO emp(empno,ename,job)
VALUES(8003,'sg','CLERK');
where子句可以和查询时一样复杂，不过注意系统在进行插入执行完select语句是非常重要的，如果在执行select的同时执行某些插入操作，比如。
insert into student
select *
from student;
只要student上没有主码约束，这可能会插入无数元组！！！
另外大部分数据库产品都有特殊的“bulk loader”工具，它可以批量从文件中导入元组集合，并且其执行速度比插入语句序列要快的多。
9.3 更新
UPDATE emp
SET ename='pp'
WHERE empno='8003';
考虑一个场景，给工资超过100000美元的教师涨3%的工资，而其他教师涨5%，可以这么做。
update instructor
set salary = salary * 1.03
where salary > 100000;
update instructor
set salary = salary * 1.05
where salary <= 100000;
上面的sql执行顺序不能打乱，否则工资略少与100000美元的教师会涨超过8%的工资，为了避免这种更新次序引发的问哟，SQL提供了case结构。
update instructor
set salary = case
when salary <= 100000 then salary * 1.05
else salary * 1.03
end
标量子查询在SQL更新语句中非常有用，它们可以用在set子句中。比如如果假设一名学生在某门课程上的成绩既不是’F’也不是空，就成功学完了这门课程，现在将student关系的to_cred属性值更新完该生成功学完的课程学分总和，可以这么做。
update student
set to_cred = (
select sum(credits)
from takes,course
where student.ID = takes.ID and
takes.course_id = course.course_id and
takes.grade <> 'F' and
takes.grade is not null);
上面的<>是不等于的意思。
如果一名学生美元成功学完任何课程，其to_cread属性置为空。我们可以通过下面子句把select sum(credits)替换为case表达式：
select case
when sum(credits) is not null then sum(credits)
else 0
end
另外，很多系统支持coalelse函数，它更加简洁，后续文章将会介绍。