第 02 篇在 SQL 的世界里一切都是关系

《SQL 从入门到精通》专栏目录

第 01 篇和数据打交道的你，一定要学会 SQL
第 02 篇在 SQL 的世界里一切都是关系
第 03 篇使用 SELECT 语句初步探索数据库
第 04 篇通过查询条件实现数据过滤
第 05 篇如何使用 SQL 语句进行模糊查找？
第 06 篇利用 ORDER BY 对数据进行排序显示
第 07 篇如何实现排行榜和前端分页效果
第 08 篇什么是函数？如何利用函数提高数值计算的效率？
第 09 篇 SQL 常见函数之文本数据处理
第 10 篇日期和时间的存储与格式转换
第 11 篇如何为 SQL 增加 IF-THEN-ELSE 逻辑，并且实现行列转换？
第 12 篇轻松完成数据报表中的汇总分析
第 13 篇按照部门或者职位进行分组统计
第 14 篇实战案例：世界银行全球 GDP 数据分析
第 15 篇小心 SQL 中的空值陷阱！
第 16 篇如何同时查询多个表中的相关数据？
第 17 篇子查询：多表查询的另一种方式
第 18 篇你知道表也能进行加减运算吗？
第 19 篇将表当作一个变量，实现递归调用和层次遍历
第 20 篇销售数据的多维度交叉分析
第 21 篇高级报表之移动分析和累计求和
第 22 篇高级报表之分类排名和环比/同比分析
第 23 篇分析股票 K 线图与检测可疑的银行转账
第 24 篇什么是 ER 图，如何进行数据库规范化设计？
第 25 篇 SQL 支持哪些数据类型，使用时如何进行选择？
第 26 篇使用 DDL 管理数据库中的对象
第 27 篇使用 DML 执行数据的增删改合
第 28 篇为什么数据库事务如此重要？
第 29 篇索引一定能提高性能吗？
第 30 篇视图有哪些优缺点，什么时候使用视图？
第 31 篇该不该使用存储过程封装业务接口？
第 32 篇如何通过触发器记录和审核用户的操作？
第 33 篇什么是执行计划，如何查看执行计划？
第 34 篇了解常见 SQL 查询优化技巧
第 35 篇使用 SQL 处理 NoSQL 数据
第 36 篇在 Python 中运行 SQL 进行数据分析
第 37 篇在 Java 中使用 SQL 执行增删改查
第 38 篇动态 SQL 语句与防止 SQL 注入
第 39 篇结束语：SQL 编程的道与术

在上一篇中，我们回顾了数据库领域以及 SQL 的最新发展趋势。

本篇我们将会介绍 SQL 的基本特性以及最重要的一个编程思想：一切都是关系。让我们先来回顾一下关系数据库的几个基本概念。

关系数据库

关系数据库（Relational database）是指基于关系模型的数据库。关系模型由关系数据结构、关系操作集合、关系完整性约束三部分组成。

数据结构

在关系模型中，用于存储数据的逻辑结构称为关系（Relation）；对于使用者而言，关系就是二维表（Table）。

以下是一个员工信息表，它和 Excel 表格非常类似，由行（Row）和列（Column）组成。

在不同的场景下，大家可能会听到关于同一个概念的不同说法。在此，我们列出了关系数据库中的一些常见概念：

关系，也称为表，用于表示现实世界中的实体（Entity）或者实体之间的联系（Relationship）。举例来说，一个公司的员工、部门和职位都是实体，分别对应员工信息表、部门信息表和职位信息表；销售的产品和订单都是实体，同时它们之间存在联系，对应订单明细表。
行，也称为记录（Record），代表了关系中的单个实体。上图中工号为 4 的数据行存储了“诸葛亮”的相关信息。关系（表）可以看作是由行组成的集合。
列，也称为字段（Field），表示实体的某个属性。上图中的第二列包含了员工的姓名。表中的每个列都有一个对应的数据类型，常见的数据类型包括字符类型、数字类型、日期时间类型等。

有了关系结构之后，就需要定义基于关系的数据操作。

操作集合

常见的数据操作包括增加（Create）、查询（Retrieve）、更新（Update）以及删除（Delete），或者统称为增删改查（CRUD）。

其中，使用最多、也最复杂的操作就是查询，具体来说包括选择（Selection）、投影（Projection）、并集（Union）、交集（Intersection）、差集（exception）以及笛卡儿积（Cartesian product）等。我们将会介绍如何使用 SQL 语句完成以上各种数据操作。

为了维护数据的完整性或者满足业务需求，关系模型还定义了完整性约束。

完整性约束

关系模型中定义了三种完整性约束：实体完整性、参照完整性以及用户定义完整性。

实体完整性是指表的主键字段不能为空。现实中的每个实体都具有唯一性，比如每个人都有唯一的身份证号；在关系数据库中，这种唯一标识每一行数据的字段称为主键（Primary Key），主键字段不能为空。每个表可以有且只能有一个主键。
参照完整性是指外键参照的完整性。外键（Foreign Key）代表了两个表之间的关联关系，比如员工属于某个部门；因此员工表中存在部门编号字段，引用了部门表中的部门编号字段。对于外键引用，被引用的数据必须存在，员工不可能属于一个不存在的部门；删除某个部门之前，也需要对部门中的员工进行相应的处理。
用户定义完整性是指基于业务需要自定义的约束。非空约束（NOT NULL）确保了相应的字段不会出现空值，例如员工一定要有姓名；唯一约束（UNIQUE）用于确保字段中的值不会重复，每个员工的电子邮箱必须唯一；检查约束（CHECK）可以定义更多的业务规则。例如，薪水必须大于 0 ，字符必须大写等；默认值（DEFAULT）用于向字段中插入默认的数据。

本专栏涉及的 4 种数据库对于这些完整性约束的支持情况如下：

数据库	非空约束	唯一约束	主键约束	外键约束	检查约束	默认值
Oracle	支持	支持	支持	支持	支持	支持
MySQL	支持	支持	支持	支持*	支持*	支持
SQL Server	支持	支持	支持	支持	支持	支持
PostgreSQL	支持	支持	支持	支持	支持	支持

* MySQL 中只有 InnoDB 存储引擎支持外键约束；MySQL 8.0.16 增加了对检查约束的支持。

存储引擎（Storage Engine）是 MySQL 中用于管理、访问和修改物理数据的组件，不同的存储引擎提供了不同的功能和特性。从 MySQL 5.5 开始默认使用 InnoDB 存储引擎，支持事务处理（ACID）、行级锁定、故障恢复、多版本并发控制（MVCC）以及外键约束等。

关系数据库使用 SQL 作为访问和操作数据的标准语言。现在，让我们来直观感受一下 SQL 语句的特点。

SQL：一种面向集合的编程语言

本节会出现几个示例，我们还没有正式开始学习 SQL 语句，可以暂时不必理会细节。

语法特性

SQL 是一种声明性的编程语言，语法接近于自然语言（英语）。通过几个简单的英文单词，例如 SELECT、INSERT、UPDATE、CREATE、DROP 等，完成大部分的数据库操作。以下是一个简单的查询示例：

SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM employeeWHERE salary > 10000ORDER BY emp_id;

即使没有学过 SQL 语句，但只要知道几个单词的意思，就能明白该语句的作用。它查询员工表（employee）中月薪（salary）大于 10000 的员工，返回工号、姓名以及月薪，并且按照工号进行排序。可以看出，SQL 语句非常简单直观。

以上查询中的 SELECT、FROM 等称为关键字（也称为子句），一般大写；表名、列名等内容一般小写；分号（;）表示语句的结束。SQL 语句不区分大小写，但是遵循一定的规则可以让代码更容易阅读。

SQL 是一种声明式的语言，声明式语言的主要思想是告诉计算机想要什么结果（what），但不指定具体怎么做。这类语言还包括 HTML、正则表达式以及函数式编程等。

面向集合

对于 SQL 语句而言，它所操作的对象是一个集合（表），操作的结果也是一个集合（表）。例如以下查询：

SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM employee;

其中 employee 是一个表，它是该语句查询的对象；同时，查询的结果也是一个表。所以，我们可以继续扩展该查询：

SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM (SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM employee) dt;

我们将括号中的查询结果（取名为 dt）作为输入值，传递给了外面的查询；最终整个语句的结果仍然是一个表。在第 17 篇中，我们将会介绍这种嵌套在其他语句中的查询就是子查询（Subquery）。

SQL 中的查询可以完成各种数据操作，例如过滤转换、分组汇总、排序显示等；但是它们本质上都是针对表的操作，结果也是表。

不仅仅是查询语句，SQL 中的插入、更新和删除都以集合为操作对象。我们再看一个插入数据的示例：

CREATE TABLE t(id INTEGER);-- 适用于 MySQL、SQL Server 以及 PostgreSQL
INSERT INTO t(id)
VALUES (1), (2), (3);

我们首先使用 CREATE TABLE 语句创建了一个表，然后使用 INSERT INTO 语句插入数据。在执行插入操作之前，会在内存中创建一个包含 3 条数据的临时集合（表），然后将该集合插入目标表中。由于我们通常一次插入一条数据，以为是按照数据行进行插入；实际上，一条数据也是一个集合，只不过它只有一个元素而已。

Oracle 不支持以上插入多行数据的语法，可以使用下面的插入语句：

-- 适用于 Oracle
INSERT INTO t(id)
SELECT 1 FROM DUALUNION ALL
SELECT 2 FROM DUALUNION ALL
SELECT 3 FROM DUAL;

UNION ALL 是 SQL 中的并集运算，用于将两个集合组成一个更大的集合。此外，SQL 还支持交集运算（INTERSECT）、差集运算（EXCEPT）以及笛卡儿积（Cartesian product）。我们会在第 18 篇中介绍这些内容，它们也都是以集合为对象的操作。

我们已经介绍了 SQL 语言的声明性和面向集合的编程思想。在正式学习编写 SQL 语句之前，还需要进行一些准备工作，主要就是安装示例数据库。

示例数据库

在本专栏的学习过程中，我们主要使用一个虚构的公司数据模型。该示例数据库包含 3 个表：员工表（employee）、部门表（department）和职位表（job）。以下是它们的结构图，也称为实体-关系图（Entity-Relational Diagram）：

部门表（department），包含部门编号（deptid）和部门名称（deptname）字段，主键为部门编号。该表共计 6 条数据。
职位表（job），包含职位编号（jobid）和职位名称（jobtitle）字段，主键为职位编号。该表共计 10 条数据。
员工表（employee），包含员工编号（empid）和员工姓名（empname）等字段，主键为员工编号，部门编号（deptid）字段是引用部门表的外键，职位编号（jobid）字段是引用职位表的外键，经理编号（manager）字段是引用员工表自身的外键。该表共计 25 条数据。

我们在 GitHub 上为大家提供了示例表和初始数据的创建脚本和安装说明，支持 Oracle、MySQL、SQL Server 以及 PostgreSQL。点击链接进行下载。

运行这些脚本之前，需要先安装数据库软件。网络上有很多这类安装教程可以参考；如果无法安装数据库，也可以使用这个免费的在线 SQL 开发环境：http://sqlfiddle.com，它提供了各种常见的关系数据库服务。下图是使用 MySQL 运行示例脚本的结果：

选择数据库之后，将创建表和插入数据的脚本复制到左边窗口，点击“Build Schema”进行初始化；点击“Browser”可以查看表结构；在右侧窗口输入 SQL 语句，点击“Run SQL”运行并查看结果。该工具提供的数据库不是最新版本，但是可以运行大部分的示例。

本专栏中所有的示例都在以下数据库版本中进行了验证：

Oracle database 18c
MySQL 8.0
SQL Server 2017
PostgreSQL 12

我们使用 DBeaver 开发工具编写所有的 SQL 语句，该工具的安装和使用可以参考我的博客文章。当然，你也可以使用自己喜欢的开发工具。

小结

关系模型中定义了一个简单的数据结构，即关系（表），用于存储数据。SQL 是关系数据库的通用标准语言，它使用接近于自然语言（英语）的语法，通过声明的方式执行数据定义、数据操作、访问控制等。对于 SQL 而言，一切都是关系（表）。

参考文献

[美] Abraham Silberschatz，Henry F.Korth，S.Sudarshan 著，杨冬青，李红燕，唐世渭译，《数据库系统概念（原书第6版）》，机械工业出版社，2012