SQL，NoSQL 以及数据库的实质
在之前的一些博文里（比如这篇），我多次提到关系式数据库和 SQL 的缺陷。我觉得它们是制造了问题又自己来解决，而且没有解决好。现在有了点时间，我就把这里面的细节稍微说一下，希望有一定的启发作用。
描述性语言的局限性
当我指出 SQL 的问题时，总是避免不了有人反驳说：“SQL 是描述性的语言。你只告诉它 What，而不是告诉它 How。”我发现总是有人对一些我多年前就听腻了，看透了的“广告词”执迷不悟，而现在这同样的事又发生在 SQL 身上。他们没有发现，我不但能实现 SQL，而且已经实现过比 SQL 强大很多的语言（逻辑式语言），所以我其实早已看透了所有这些语言的实质，我知道那些广告词在很大程度上是误导。
现在我就来分析一下 SQL 与逻辑式语言之间的关系，并且找出这类“描述性语言”共同的弱点。
Prolog 与人工智能的没落
可以说，“只告诉它 What，而不是告诉它 How”，只是一个不切实际的妄想，而且它并不是 SQL 首创的口头禅。在 SQL 诞生两年以前，有人发明了 Prolog，著名的“逻辑式语言运动”的先锋。Prolog 使用了与 SQL 非常类似的广告词，声称自己能够一劳永逸的解决人工智能和自动编程的问题，这样人们不需要写程序，只需要告诉电脑“想要什么”，然后电脑就能自动生成算法，自动生成代码来解决这问题。
不需要理解数据结构和算法，直接告诉电脑需要什么，它就给你答案，这是多么美妙的事情。世界上总是有很多这种类似“减肥药”的东西，每一个都声称自己是“不需运动，不需节食，一个星期瘦 20 斤！”然而由于人类的智力和经验参差不齐，总会有人上当。Prolog 当年的风头之大，以至于它被日本*采用并且大力推广，作为他们所谓的“第五代计算机”的编程语言。可惜的是，减肥药毕竟是减肥药，科学道理决定了 Prolog 必定失败，以及“人工智能冬天”（AI winter）的到来。
为什么 Prolog 会失败呢？这是因为 Prolog 虽然“终究”有可能自动解决某些问题，然而由于它的算法复杂度太高，所以没法在我们有生之年完成。说白了，Prolog 采用的“计算”方式就是“穷举法”。为了得到用户“描述”的问题的答案，而不需要用户指定具体的数据结构和算法，Prolog 必须对非常大的图状解空间进行完全的遍历（Prolog 采用深度优先搜索）。而这种解空间的“状态”数量往往是与程序运行时路过的分支数目成指数关系，这就决定了 Prolog 虽然“最终”可能找到问题的答案，却很有可能在地球毁灭之前都没法完成它的搜索。而且由于 Prolog 无法表达真正意义上的“逻辑否”操作，所以对于很多问题它永远无法得到正确的答案（这是一个非常深入的问题，30 多年的研究，仍然没有结果）。
过于具体的细节我不想在这里解释，你只需要明白的是我绝不是在信口开河。在 Indiana 的日子里，我重新实现，并且扩展了一种与 Prolog 类似的逻辑式语言，叫做 miniKanren。它也就是 Dan Friedman 的新书《The Reasoned Schemer》的主题。在两三个星期的时间内，我不但完全重写了 miniKanren 的代码（代码见这里），而且为它加入了一种技术叫做 constraint logic programming，并且在那之上实现了一个非常干净利落的“逻辑否”操作。经过这番动手操作，我对 miniKanren 和逻辑式语言的工作方式可以说是了如指掌。虽然 miniKanren 比起 Prolog 更加优雅，而且在搜索算法上有所改进（广度优先而非深度优先），它本质上采用的计算方式也是一样的：穷举法。所以在很多时候它的效率很低，用法不灵活。像 Prolog 一样，miniKanren 并不能用来解决很多实际的问题。有些很简单的 Scheme 代码，你却不能把它翻译成等价的 miniKanren。然而就是这样一种语言，比起 SQL 的表达能力，其实也是天上地下。所以在实现并且扩展了 miniKanren 这样的“智能语言”之后再来看 SQL，对于我来说就像是在解剖一只青蛙。
这里只举一个例子，说明我所看到的所谓“描述性语言”的局限，看不懂的人可以暂时跳过。在 IU 的时候总有一些人喜欢用 miniKanren 来实现 Haskell 和 OCaml 的Hindley-Milner 类型系统（HM 系统）。HM 那种最基本的基于 unification 的类型推导，miniKanren 确实能做到，因为 miniKanren，Prolog 和 HM 系统一样，都是基于Robinson unification 算法。这种算法虽然精巧，表达能力却是非常有限的。如果遇到一些必要的扩展，比如 HM 系统所需要的 let-polymorphism，你就需要对 miniKanren 语言本身进行扩展。也就是说，你不再是用 miniKanren 实现你的算法，而是用一种过程式或者函数式语言（比如 Scheme）把你的算法加到 miniKanren 里面作为“语言特性”，然后再利用这个你刚实现的新特性来“实现”你的算法。于是你就发现，其实 miniKanren 本身并没有足够的表达力表示完整的 HM 类型推导算法。如果 miniKanren 必须经过 Scheme 扩展才能表达 HM 算法，那么比起直接的 Scheme 实现，miniKanren 并没有任何优势。一个新的语言特性要有价值，它必须能够在很多地方使用。然而这些 miniKanren 的扩展，每一个只能用到一个地方。所以它们其实完全失去了作为语言特性的价值，还不如直接写一段 Scheme 代码。
这也就是为什么虽然我很感谢 miniKanren 教会了我逻辑编程的原理，然而我实现过的所有强大的类型系统（有些的能力大大超过 HM 系统），全都是用最普通的过程式或者函数式语言。“描述性语言”声称的好处，其实在这种关键时刻总是微乎其微，还不如调用普通语言的库代码。
从 Prolog 到 SQL
扯了这么多 Prolog 和 miniKanren 的事情，这跟关系式数据库和 SQL 的讨论到底有何关系呢？其实，这些东西是有非常深层次的内在联系的。一个有趣的事情是，miniKanren 里面的“Kanren”一词并不是一个英语国家的人名，而是日语“関連”（かんれん，读作 kanren）。而“逻辑式语言”的另一个名字，其实叫做“关系式语言”（relational language）。
在数学上，“关系”（relation）意味着“没有方向”，意味着“可逆”。然而具有讽刺意味的是，所谓的“关系式数据库”并不具有这种可逆计算的能力。Prolog 和 miniKanren 其实是比 SQL 强大很多的语言，是真正的“关系式语言”，它们能够在比较大的程度上完成可逆计算。比如在 miniKanren 里面，你可以使用这样“查询操作”：如果 x+y 等于 10，y 等于 2，那么 x 等于几？很多 Prolog 和 miniKanren 可以表达的查询，SQL 没法表示。SQL 其实只能用于非常简单的，有“明确方向”的查询操作，基本上就像 Lisp 的 filter 函数。由于这些局限性，再加上很多其他的设计失误（比如语法像英语，组合能力弱），它只适合会计等人员使用，一旦遇到程序员需要的，稍微复杂一点的数据结构，它就没法表达了，而且会像 Prolog 一样引起诸多的性能问题。
由于 SQL 比起逻辑式语言有更多的限制，表达力弱很多，再加上 SQL 对于基本的数据结构进行了“索引”，逻辑式语言的性能问题在 SQL 里面得到了局部的缓解。比如，对于基本的算数操作x < 10，SQL 能够通过对索引（B树）的查找来进行“优化”，从而避免了对x 所有可能的值（一个非常大的空间）进行完全的遍历。然而这种索引的能力是非常有限的，它几乎没有扩展能力，而且很难自动生成。所以一旦遇到更加复杂的情况，数据库自带的索引就没法满足需要了。除了极其简单的情况，SQL 的编译器无法自动生成高效的索引。
更要命的是，这种问题的来源是根本性的，不可解决的，而不只是因为某些数据库的 SQL 编译器不够“智能”。很多人不理解这一点，总是辩论说“我们为何需要 Java 而不是写汇编，也就是我们为何需要 SQL。”然而，把 Java 编译成高效的汇编，和把 SQL 编译成高效的汇编，是两种本质上不同的问题。前者可以比较容易的解决，而后者是不可能的（除了非常个别的情况）。如果你理解“编译器优化”的本质就会发现，这里面有一个拓扑学上的质的飞跃。把 Java 编译成高效的汇编，是一个非常简单的，线性的优化。这个过程就像改进一个已经连接好的电路，把里面太长的电线缩短一点，这样时延和电阻可以小一些。而把 SQL 优化成高效的汇编，是一个非线性的优化。这个过程不只是缩短电线那么简单的问题，它需要解开一些错综复杂的“结”。这种优化不但非常难以实现，需要大量的“潜在数学知识”，而且有可能花费比执行代码还多的时间。
我只举一个例子来说明这个问题。如果你需要迅速地在地图上找到一个点附近的城市，SQL 无法自动在平面点集上建造像 KD-tree 那样的数据结构。这是很显然的，因为 SQL 根本就不知道你的数据所表示的是平面上的点集，也不理解平面几何的公理和定理。跟 B-tree 类似，知道什么时候需要这种特殊的索引结构，需要非常多的潜在数学知识（比如高等平面几何），所以你肯定需要手动的建立这种数据结构。你发现了吗，你其实已经失去了所谓的“描述性”语言带来的好处，因为你完全可以用最普通的语言，加上一些构造 B-tree, KD-tree 的“库代码”，来实现你所需要的所有复杂查询操作。你的 SQL 代码并不会比直接的过程式代码更加清晰和简洁。再加上 SQL 本身的很多设计失误，你就发现使用 SQL 数据库其实比自己手工实现这些数据结构还要痛苦。你学会 SQL 是为了避免编程，结果你不得不做比编程还要苦逼的工作，还美其名曰“performance tuning”。
到这里也许有人仍然会说，这只是因为现在的 SQL 编译器不够智能，总有一天我们能够制造出能够“自动发明”像 B-tree, KD-tree 这样索引结构的“优化算法”。我对此持非常不乐观的态度。首先你要意识到，哪怕最基本的数学知识，也是经过了人类几千年的实践，研究和顿悟才得到的。计算机虽然越来越快，它却缺乏对于世界最直接的观察和探索能力，所以在相当长的时间内，计算机是根本不可能自动“想到”这些数学和算法问题的，就不要谈解决它们。其次，即使计算机有一天长了脚可以走路，有了眼睛可以看见东西，有了“*意志”，可以自己去观察世界，它却不一定能够发现并且解决“人类关心的数学问题”，因为它根本不知道人类需要什么。最后，我们需要在有生之年解决这些迫切的问题，我们无法等待几十年几百年，就为了让计算机自己想出像 KD-tree 一类众所皆知的数据结构。
计算机不可能猜到人类到底想要什么，这就是为什么你几乎总是需要手动指定索引的原因，而且这种索引需要数据库“内部支持”。你一次又一次的希望 SQL 能够自动为你生成高效的索引和算法，却一次又一次的失望，也就是这个原因。当然，你永远可以使用所谓的 stored procedure 来扩展你的数据库，然而这就像是我的 IU 同学们用 miniKanren 来实现 HM 类型系统的方式——他们总是先使用一种过程式语言（Scheme）来添加这种描述性语言的“相关特性”，然后欢呼：“哇，miniKanren 解决了这个问题！”而其实呢，还不如直接使用过程式语言来得直接和容易。
这种总是需要扩展的显现也出现在数据库的语言里面。经验告诉我，如果想数据库处理大量数据时达到可以接受的性能，你几乎总是需要使用普通语言对手头的数据库进行所谓的“扩展”，然后从 SQL 等查询语言“调用”它们。这种扩展代码往往是一次性的，只能用在一个地方，从而使得这些查询语言失去了存在的意义。因为如果经常如此，我们为何不直接发送这种过程语言到数据库里面执行，从而完全取代 SQL？
另外有一种数据库查询语言叫 Datalog，它结合了 SQL 和 Prolog 的特点。然而以上对于 SQL 和 Prolog 的分析，同样也适用于 Datalog。
关系模型的实质
每当我批评 SQL，就有人说我其实不理解关系模型，说关系模型本身并没有问题，所以现在我就来分析一下什么是关系模型的实质。其实关系模型比起逻辑式语言，基本就是个衍生产物，算不上什么发明。关系代数其实对应逻辑式语言里面的一个很小的部分——它的数据结构及其基本操作，只不过关系模型有更大的局限性而已。所以学会了逻辑式语言的设计之后，你直接就可以把关系模型这种东西想出来。
每当谈到关系模型，总是有人很古板的追究它与 SQL，Datalog 等“查询语言”的区别。然而如果你看透了逻辑式语言的本质就会发现，其实“语言”和“模型”这两者并没有本质区别和明确界限。人们总是喜欢制造这些概念上的壁垒，用以防止自己的理论受到攻击。追究语言和模型的差别，把过错推到 SQL 和 IBM 身上，是关系式数据库领域常见的托词，用以掩盖其本质上的空洞和设计上的失误。所以在下面的讨论里为了方便，我仍然会使用少量 SQL 来表示关系模型里面对应的概念，但这并不削弱我对关系模型的批评。
关系模型与逻辑式语言
我们先来具体探讨一下关系模型与逻辑式语言的强弱关系。之前我们已经提到了，关系式数据库所谓的“关系”，比起逻辑式语言来说，其实是小巫见大巫。关系式数据库的表达能力，绝对不会超过逻辑式语言。关系式代数里面的“=”，join 等构造都是没有方向的。然而与逻辑式语言不同，这些“可逆操作符”在关系代数里的用法受到非常大的限制。比如，这些可逆操作都不能跨过程，而且关系模型并不包含递归函数。所以你并不能真正利用这种“无方向的代码”来完成比“有方向代码”更加强大的功能，大部分时候它们本质上只是普通程序语言里面最普通的一些表达式，只不过换了一种更“炫”的写法而已。
总是有人声称限制语言的表达力可以让语言更加容易优化，然而如果一个语言弱得不能用，优化做得再好又有什么用。关系模型的核心，其实是普通程序语言里面最简单的部分：表达式。如果缺乏控制结构和递归，这些表达式的能力只相当于最简单的计算器。经验告诉我，就算表达力这么弱的语言，很多数据库的编译器也不能把优化做好，所以这不过是为它的弱表达力找个借口。另外由于这种无方向的表达式让你在阅读的时候很难看清楚数据的“流向”，所以你很难理解这里面包含的算法。这种问题也存在于逻辑式语言，但因为逻辑式语言的表达力在某些方面强于过程式语言，所以感觉还不算白费劲。然而，关系模型有着逻辑式语言的各种缺点，却不能提供逻辑式语言最基本的长处，所以比起过程式语言来说其实是一无是处。
关系模型与数据结构
我们再来探讨一下关系模型与数据结构的关系。很多人认为关系式数据库比起数据结构是一个进步，然而经过仔细的思考之后我发现，它其实不但是一个退步，而且是故弄玄虚，是狗皮膏药。在 IU 的时候，我做过好几个学期数据库理论课程的助教。当时我的感受就是，很多计算机系学生上了“数据结构”课程之后，再来上“数据库理论”课程，却像是被*了一样，仿佛根本没有理解数据结构。经过一段时间的接触之后，我发现其实他们大部分人只是被数据库领域的诸多所谓“理论”，“模型”或者“哲学”给迷惑了。本来是已经理解的数据结构和算法，却被数据库理论给换成了等价却又吓人的新名词，所以他们忽然搞不明白了。我是很负责的老师，所以我努力地思索，想让他们找回自我，最后我成功了。经过我如下的分析，他们大多数后来都茅塞顿开，对关系式数据库应用自如，最后取得了优异的成绩。
其实，关系模型的每一个“关系”或者“行”（row），表示的不过是一个普通语言里的“结构”（就像 C 的 struct）。一个表（table），其实不过是一个装着结构的数组。举个例子，以下 SQL 语句构造的数据库表：
CREATE TABLE Students ( sid CHAR(20),
name CHAR(20),
login CHAR(20),
age INTEGER,
gpa REAL )
其实相当于以下 C 代码构造的结构的数组：
struct student {
char* sid;
char* name;
char* login;
int age;
double gpa;
}
每一个 join，本质上就是沿着行里的“指针”（foreign key）进行“寻址”，找到它所指向的东西。在实现上，join 跟指针引用有一定区别，因为 join 需要查软件哈希表，所以比指针引用要慢。指针引用本质上是在查硬件哈希表，所以快很多。当然，这些操作都是基于“集合”的，但其实普通语言也可以表示集合操作。
所谓的查询（query），其实就是普通的函数式语言里面的 filter, map 等抽象操作，只不过具体的数据结构有所不同。关系式代数更加笨拙一些，组合能力弱一些。比如，以下的 SQL 语句
SELECT Book.title
FROM Book
WHERE price > 100
本质其实相当于以下的 Lisp 代码（但不使用链表，执行机制有所不同而已）：
(map book-title
(filter (lambda (b) (> (book-price b) 100)) Book)
所以关系模型所能表达的东西，其实不会超过普通过程式（函数式）语言所用的数据结构，然而关系模型却有过程式数据结构所不具有的局限性。由于经典的关系“行”只能有固定的宽度，所以导致了你没法在结构里面放进任何“变长”的东西。比如，如果你有一个变长的数组需要放进结构，你就需要把它单独拿出来，旋转 90 度，做成另外一个表，然后在原来的表里用一个“key”指向它们。在这个“中间表”的每一行，这个 key 都要被重复一次，产生大量冗余。这种做法通常被叫做 normalization。这种方法虽然可行，然而我不得不说这是一个“变通”。它的存在是为了绕过关系模型里面的无须有的限制，终究导致了关系式数据库使用的繁琐。说白了，normalization 就是让你手动做一些比 C 语言的“手动内存管理”还要低级的工作，因为连 C 这么低级的语言都允许你在结构里面嵌套数组！然而，很多人宝贵的时间，就是在构造，释放，调试这些“中间表格”的工作中消磨掉了。
这些就是关系模型所有的秘密。如果你深刻的理解了数据结构的用法，那么通过反复推敲，深入理解以上这番“补充知识”，你就能把已知的数据结构常识应用到所谓的“关系模型”上面，从而对关系式数据库应用自如，甚至可以使用 SQL 写出非常复杂和高效的算法。
另外有一些人（比如这篇文章）通过关系模型与其它数据模型（比如网状模型之类）的对比，以支持关系模型存在的必要性，然而如果你理解了这小节的所有细节就会发现，使用基本的数据结构，其实可以完全的表示关系模型以及被它所“超越”的那些数据模型。说实话，我觉得这些所谓“数据模型”全都是故弄玄虚，无中生有。数据模型可以完全被普通的数据结构所表示，然而它们却不可能表达数据结构带有的所有信息。这些模型之所以流行，是因为它们让人误以为知道了所谓的“一对一”，“一对多”等肤浅的概念就可以取代设计数据结构所需要的技能。所以我认为它们其实也属于技术上的“减肥药”。
NoSQL 的“革命”
SQL 和关系模型所引起的这一系列无须有的问题，终究引发了所谓 NoSQL 的诞生。很多人认为 NoSQL 是划时代的革命，然而在我看来它很难被称为是一次“革命”，最多可以被称为“不再愚蠢”。而且大多数 NoSQL 数据库的设计者们并没有看到以上所述的问题，所以他们的设计并没有完全摆脱关系模型以及 SQL 带来的思维枷锁。
最早试图冲破关系模型和 SQL 限制的一种数据库叫做“列模式数据库”（column-based database），其代表包括 Vertica, HBase 等产品。这种数据库其实就是针对了我刚刚提到的，关系模型无法保存可变长度数组的问题。它们所谓的“列压缩”，其实不过是在“行结构”里面增加了对“数组”的表示和实现。很显然，每一个数组需要一个字段来表示它的长度，剩下的空间用来依次保存每一个元素。所以在这种数据库里，你大部分时候不再需要进行 normalization，也不需要重复存储很多 key。这种对数组的表示，是一开始就应该有的，却被关系模型排除在外。然而，很多列模式数据库并没有看到这一实质。它们经常设定一些无端的限制，比如你的变长数组只能有非常有限的嵌套层数之类，所以它们其实没能完全逃脱关系式数据库带来的思想枷锁。让我很惊讶的是，如此明显的事情，数据库专家们最开头恁是看不到。到后来改来改去改得六成对，还美其名曰“优化”和“压缩”。
最新的一些 NoSQL 数据库，比如 Neo4j, MongoDB 等，部分的针对了 SQL 的表达力问题。Neo4j 设计了个古怪又不中用的查询语言叫 Cypher，MongoDB 使用冗长繁琐的 JSON 来直接表示对数据的查询，就像是在手写编译器里的 AST 数据结构。Neo4j 的 Cypher 语言不但语法古怪，表达力弱，而且效率非常低，以至于几乎任何有用的操作你都必须使用 Java 写扩展来完成（参考这篇博文）。所以到现在看来，数据库的主要问题已经转移到了语言设计的问题，而且它们会在很长一段时间之内处于混沌之中。
其实数据库的问题哪有那么困难。只要你有一个好的程序语言，你就可以发送这种语言的代码到“数据库服务器”，这个服务器可以远程执行你的代码，调用服务器上的“库代码”对数据进行索引，查询和重构，然后返回代码指定的结果。如果你看清了 SQL 的实质，就会发现这样的“过程式设计”其实并不会损失 SQL 的“描述性语言”的表达能力。反而由于过程式语言使用的简单性，直接性和普遍性，会使得开发效率大大提高。NoSQL 数据库比起 SQL 和关系式数据库存在一些优势，也就是因为它们在朦胧中朝着这个方向发展。
然而，NoSQL 并不总是朝着正确的方向发展。因为设计它们的人往往没有专业的修习过程序语言的设计，缺乏对历史教训的认识，所以他们经常犯下不应有的设计错误。我经历过好些 NoSQL 数据库之后发现，它们的查询语言设计几乎完全没有章法。而且由于具体的实现质量以及商业动机，这些数据库往往有各种各样恼人的问题。这是必然的现象，因为这些数据库公司靠的就是咨询和服务作为收入，如果他们把这些数据库高质量又开源的实现，没有烦人的问题，谁会给他们付费呢？
所以，这些 NoSQL 数据库问题的存在，也许并不是因为人们都很笨，而是因为世界的经济*仍然是资本主义，大家都需要骗钱糊口，大家都舍不得给“小费”。有人说我这是“阴谋论”，可惜总有一天你会意识到，这的确是一个阴谋。如果你想知道跟 NoSQL 数据库公司打交道是什么感觉，可以参考一下我这篇博文里面关于 Neo4j 的部分。
总结
说了这么多，其实主要的只有几点：
- 关系模型是一个无需有的东西。它严重束缚了人们的思想，其本质并不如普通的数据结构简单和高效。它比起逻辑式语言的理论来说是非常肤浅的。
- SQL，Datalog，Prolog 等所谓“描述性语言”的价值被大大的高估了。使用它们的人往往有“避免编程”的心理，结果不得不做比编程还要痛苦的工作：数据库查询优化。
- 数据库完全可以使用普通的程序语言（Java，Scheme 等）的“远程执行”来进行查询，而不需要专门的查询语言。这在某种程度上就是 NoSQL 数据库的实质和终极发展方向。
对数据库的问题有更多兴趣的人，可以参考我的一篇相关的英文博客，以及这篇《一种新的操作系统的设计》里面的相关部分。
习题
有人评论说我其实不懂 SQL，现在我就来考考你的 SQL 编程能力，看看到底是谁理解 SQL 多一些 :)
题目：请用 SQL 实现 Dijkstra 的最短路径算法。
为了加深对数据库的认识，每个人都应该用 SQL 来实现这样稍微复杂的算法，而不只是写一些高中生都会的基础程序。如果你仍然相信“What，not How”的广告，反对使用 SQL 来写这样的过程式算法，那么就请你更进一步，使用你所谓的“What 查询方式”来高效的解决最短路径问题。
原文地址：
http://www.yinwang.org/blog-cn/2014/04/24/sql-nosql/