Лекция 15. Язык SQL. Средства манипулирования данными

Структура запросов

Для того, чтобы можно было более или менее точно рассказать про структуру запросов в стандарте SQL/89, необходимо начать со сводки синтаксических правил:

<cursor specification>::= <query expression> [<order by clause>] <query expression>::= <query term> | <query expression> UNION [ALL] <query term> <query term>::= <query specification> | (<query expression>) <query specification>::= (SELECT [ALL | DISTINCT] <select list> <table expression>) <select statement>::= SELECT [ALL | DISTINCT] <select list> INTO <select target list> <table expression> <subquery>::= (SELECT [ALL | DISTINCT] <result specification> <table expression> <table expression>::= <from clause> [<where clause>] [<group by clause>] [<having clause>]

Язык допускает три типа синтаксических конструкций, начинающихся с ключевого слова SELECT: спецификация курсора (cursor specification), оператор выборки (select statement) и подзапрос (subquery). Основой всех них является синтаксическая конструкция "табличное выражение (table expression)". Семантика табличного выражения состоит в том, что на основе последовательного применения разделов from, where, group by и having из заданных в разделе from таблиц строится некоторая новая результирующая таблица, порядок следования строк которой не определен и среди строк которой могут находиться дубликаты (т.е. в общем случае таблица-результат табличного выражения является мультимножеством строк). На самом деле именно структура табличного выражения наибольшим образом характеризует структуру запросов языка SQL/89. Мы рассмотрим ниже структуру и смысл разделов табличного выражения ниже, но до этого немного подробнее обсудим три упомянутые конструкции, включающие табличные выражения.

Спецификация курсора

Наиболее общей является конструкция "спецификация курсора". Курсор - это понятие языка SQL, позволяющее с помощью набора специальных операторов получить построчный доступ к результату запроса к БД. К табличным выражениям, участвующим в спецификации курсора, не предъявляются какие-либо ограничения. Как видно из сводки синтаксических правил, при определении спецификации курсора используются три дополнительных конструкции: спецификация запроса, выражение запросов и раздел ORDER BY.

Спецификация запроса

В спецификации запроса задается список выборки (список арифметических выражений над значениями столбцов результата табличного выражения и констант). В результате применения списка выборки к результату табличного выражения производится построение новой таблицы, содержащей то же число строк, но вообще говоря другое число столбцов, содержащих результаты вычисления соответствующих арифметических выражений из списка выборки. Кроме того, в спецификации запроса могут содержаться ключевые слова ALL или DISTINCT. При наличии ключевого слова DISTINCT из таблицы, полученной применением списка выборки к результату табличного выражения, удаляются строки-дубликаты; при указании ALL (или просто при отсутствии DISTINCT) удаление строк-дубликатов не производится.

Выражение запросов

Выражение запросов - это выражение, строящееся по указанным синтаксическим правилам на основе спецификаций запросов. Единственной операцией, которую разрешается использовать в выражениях запросов, является операция UNION (объединение таблиц) с возможной разновидностью UNION ALL. К таблицам-операндам выражения запросов предъявляется то требование, что все они должны содержать одно и то же число столбцов, и соответствующие столбцы всех операндов должны быть одного и того же типа. Выражение запросов вычисляется слева направо с учетом скобок. При выполнении операции UNION производится обычное теоретико-множественное объединение операндов, т.е. из результирующей таблицы удаляются дубликаты. При выполнении операции UNION ALL образуется результирующая таблица, в которой могут содержаться строки-дубликаты.

Раздел ORDER BY

Наконец, раздел ORDER BY позволяет установить желаемый порядок просмотра результата выражения запросов. Синтаксис ORDER BY следующий:

<order by clause>::= ORDER BY <sort specification> [{,<sort specification>}...] <sort specification>::= {<unsigned integer> | <column specification>} [ASC | DESC]

Как видно из этих синтаксических правил, фактически задается список столбцов результата выражения запросов, и для каждого столбца указывается порядок просмотра строк результата в зависимости от значений этого столбца (ASC - по возрастанию (умолчание), DESC - по убыванию). Столбцы можно задавать их именами в том и только в том случае, когда (1) выражение запросов не содержит операций UNION или UNION ALL и (2) в списке выборки спецификации запроса этому столбцу соответствует арифметическое выражение, состоящее только из имени столбца. Во всех остальных случаях в разделе ORDER BY должен указываться порядковый номер столбца в таблице-результате выражения запросов.

Оператор выборки

Оператор выборки - это отдельный оператор языка SQL/89, позволяющий получить результат запроса в прикладной программе без привлечения курсора. Поэтому оператор выборки имеет синтаксис, отличающийся от синтаксиса спецификации курсора, и при его выполнении возникают ограничения на результат табличного выражения. Фактически, и то, и другое диктуется спецификой оператора выборки как одиночного оператора SQL: при его выполнении результат должен быть помещен в переменные прикладной программы. Поэтому в операторе появляется раздел INTO, содержащий список переменных прикладной программы, и возникает то ограничение, что результирующая таблица должна содержать не более одной строки. Соответственно, результат базового табличного выражения должен содержать не более одной строки, если оператор выборки не содержит спецификации DISTINCT, и таблица, полученная применением списка выборки к результату табличного выражения, не должна содержать более одной несовпадающих строк, если спецификация DISTINCT задана.

Замечание: В диалекте SQL СУБД Oracle поддерживается расширенный вариант оператора выборки, результатом которого не обязательно является таблица из одной строки. Такое расширение не поддерживается ни в SQL/89, ни в SQL/92.

Подзапрос

Наконец, последняя конструкция SQL/89, которая может содержать табличные выражения, - это подзапрос, т.е. запрос, который может входить в предикат условия выборки оператора SQL. В SQL/89 к подзапросам применяется то ограничение, что результирующая таблица должна содержать в точности один столбец. Поэтому в синтаксических правилах, определяющих подзапрос, вместо списка выборки указано "выражение, вычисляющее значение", т.е. арифметическое выражение. Заметим еще, что поскольку подзапрос всегда вложен в некоторый другой оператор SQL, то в качестве констант в арифметическом выражении выборки и логических выражениях разделов WHERE и HAVING можно использовать значения столбцов текущих строк таблиц, участвующих в (под)запросах более внешнего уровня. Более подробно об этом см. ниже, при описании семантики табличных выражений.

Табличное выражение

Стандарт SQL/89 рекомендует рассматривать вычисление табличного выражения как последовательное применение разделов FROM, WHERE, GROUP BY и HAVING к таблицам, заданным в списке FROM. Раздел FROM имеет следующий синтаксис:

<from clause>::= FROM <table reference> ({,<table reference>}...] <table reference>::= <table name> [<correlation name>]

Раздел FROM

Результатом выполнения раздела FROM является расширенное декартово произведение таблиц, заданных списком таблиц раздела FROM. Расширенное декартово произведение (расширенное, потому что в качестве операндов и результата допускаются мультимножества) в стандарте определяется следующим образом:

"Расширенное произведение R есть мультимножество всех строк r таких, что r является конкатенацией строк из всех идентифицированных таблиц в том порядке, в котором они идентифицированы. Мощность R есть произведение мощностей идентифицированных таблиц. Порядковый номер столбца в R есть n+s, где n - порядковый номер порождающего столбца в именованной таблице T, а s - сумма степеней всех таблиц, идентифицированных до T в разделе FROM".

Как видно из синтаксиса, рядом с именем таблицы можно указывать еще одно имя "correlation name". Фактически, это некоторый синоним имени таблицы, который можно использовать в других разделах табличного выражения для ссылки на строки именно этого вхождения таблицы.

Если табличное выражение содержит только раздел FROM (это единственный обязательный раздел табличного выражения), то результат табличного выражения совпадает с результатом раздела FROM.

Раздел WHERE

Если в табличном выражении присутствует раздел WHERE, то следующим вычисляется он. Синтаксис раздела WHERE следующий:

<where clause>::= WHERE <search condition> <search condition>::= <boolean term> (<search condition> OR <boolean term> <Boolean term>::= <boolean factor> (<boolean term> AND <boolean factor> <boolean factor>::= [NOT] <boolean primary> <boolean primary>::= <predicate> | (<search condition>)

Вычисление раздела WHERE производится по следующим правилам: Пусть R - результат вычисления раздела FROM. Тогда условие поиска применяется ко всем строкам R, и результатом раздела WHERE является таблица, состоящая из тех строк R, для которого результатом вычисления условия поиска является true. Если условие выборки включает подзапросы, то каждый подзапрос вычисляется для каждого кортежа таблицы R (в стандарте используется термин "effectively" в том смысле, что результат должен быть таким, как если бы каждый подзапрос действительно вычислялся заново для каждого кортежа R).

Заметим, что поскольку SQL/89 допускает наличие в базе данных неопределенных значений, то вычисление условия поиска производится не в булевой, а в трехзначной логике со значениями true, false и unknown (неизвестно). Для любого предиката известно, в каких ситуациях он может порождать значение unknown. Булевские операции AND, OR и NOT работают в трехзначной логике следующим образом:

true AND unknown = unknown unknown AND true = unknown unknown AND unknown = unknown true OR unknown = true unknown OR true = true unknown OR unknown = unknown NOT unknown = unknown

Среди предикатов условия поиска в соответствии с SQL/89 могут находиться следующие предикаты: предикат сравнения, предикат between, предикат in, предикат like, предикат null, предикат с квантором и предикат exists. Сразу заметим, что во всех реализациях SQL на эффективность выполнения запроса существенно влияет наличие в условии поиска простых предикатов сравнения (предикатов, задающих сравнение столбца таблицы с константой). Наличие таких предикатов позволяет СУБД использовать индексы при выполнении запроса, т.е. избегать полного просмотра таблицы. Хотя в принципе язык SQL позволяет пользователям не заботиться о конкретном наборе предикатов в условии выборки (лишь бы они были синтаксически и семантически правильны), при реальном использовании SQL-ориентированных СУБД такие технические детали стоит иметь в виду.

Предикат сравнения

Синтаксис предиката сравнения определяется следующими правилами:

<comparison predicate>::= <value expression> <comp op> {<value expression> | <subquery>} <comp op>::= = | <> | < | > | <= | >=

Через "<>" обозначается операция "неравенства". Арифметические выражения левой и правой частей предиката сравнения строятся по общим правилам построения арифметических выражений и могут включать в общем случае имена столбцов таблиц из раздела FROM и константы. Типы данных арифметических выражений должны быть сравнимыми (например, если тип столбца a таблицы A является типом символьных строк, то предикат "a = 5" недопустим).

Если правый операнд операции сравнения задается подзапросом, то дополнительным ограничением является то, что мощность результата подзапроса должна быть не более единицы. Если хотя бы один из операндов операции сравнения имеет неопределенное значение, или если правый операнд является подзапросом с пустым результатом, то значение предиката сравнения равно unknown.

Заметим, что значение арифметического выражения не определено, если в его вычислении участвует хотя бы одно неопределенное значение. Еще одно важное замечание из стандарта SQL/89: в контексте GROUP BY, DISTINCT и ORDER BY неопределенное значение выступает как специальный вид определенного значения, т.е. возможно, например, образование группы строк, значение указанного столбца которых является неопределенным. Для обеспечения переносимости прикладных программ нужно внимательно оценивать специфику работы с неопределенными значениями в конкретной СУБД.

Предикат between

Предикат between имеет следующий синтаксис:

<between predicate>::= <value expression> [NOT] BETWEEN <value expression> AND <value expression>

Результат "x BETWEEN y AND z" тот же самый, что результат "x >= y AND x <= z". Результат "x NOT BETWEEN y AND z" тот же самый, что результат "NOT (x BETWEEN y AND z)".

Предикат in

Предикат in определяется следующими синтаксическими правилами:

<in predicate>::= <value expression> [NOT] IN {<subquery> | (<in value list>)} <in value list>::= <value specification> {,<value specification>}...

Типы левого операнда и значений из списка правого операнда (напомним, что результирующая таблица подзапроса должна содержать ровно один столбец) должны быть сравнимыми.

Значение предиката равно true в том и только в том случае, когда значение левого операнда совпадает хотя бы с одним значением списка правого операнда. Если список правого операнда пуст (так может быть, если правый операнд задается подзапросом), или значение "подразумеваемого" предиката сравнения x = y (где x - значение арифметического выражения левого операнда) равно false для каждого элемента y списка правого операнда, то значение предиката in равно false. В противном случае значение предиката in равно unknown. По определению значение предиката "x NOT IN S" равно значению предиката "NOT (x IN S)".

Предикат like

Предикат like имеет следующий синтаксис:

<like predicate>::= <column specification> [NOT] LIKE <pattern> [ESCAPE <escape character>] <pattern>::= <value specification> <escape character>::= <value specification>

Типы данных столбца левого операнда и образца должны быть типами символьных строк. В разделе ESCAPE должен специфицироваться одиночный символ.

Значение предиката равно true, если pattern является подстрокой заданного столбца. При этом, если раздел ESCAPE отсутствует, то при сопоставлении шаблона со строкой производится специальная интерпретация двух символов шаблона: символ подчеркивания ("_") обозначает любой одиночный символ; символ процента ("%") обозначает последовательность произвольных символов произвольной длины (может быть, нулевой).

Если же раздел ESCAPE присутствует и специфицирует некоторый одиночный символ x, то пары символов "x_" и "x%" представляют одиночные символы "_" и "%" соответственно.

Значение предиката like есть unknown, если значение столбца, либо шаблона не определено.

Значение предиката "x NOT LIKE y ESCAPE z" совпадает со значением "NOT x LIKE y
ESCAPE z".

Предикат null

Предикат null описывается синтаксическим правилом:

<null predicate>::= <column specification> IS [NOT] NULL

Этот предикат всегда принимает значения true или false. При этом значение "x IS NULL" равно true тогда и только тогда, когда значение x не определено. Значение предиката "x NOT IS NULL" равно значению "NOT x IS NULL".

Предикат с квантором

Предикат с квантором имеет следующий синтаксис:

<quantified predicate>::= <value expression> <comp op> <quantifier> <subquery> <quantifier>::= <all> | <some> <all>::= ALL <some>::= SOME | ANY

Обозначим через x результат вычисления арифметического выражения левой части предиката, а через S результат вычисления подзапроса.

Предикат "x <comp op> ALL S" имеет значение true, если S пусто или значение предиката "x <comp op> s" равно true для каждого s, входящего в S. Предикат "x <comp op> ALL S" имеет значение false, если значение предиката "x <comp op> s" равно false хотя бы для одного s, входящего в S. В остальных случаях значение предиката "x <comp op> ALL S" равно unknown.

Предикат "x <comp op> SOME S" имеет значение false, если S пусто или значение предиката "x <comp op> s" равно false для каждого s, входящего в S. Предикат "x <comp op> SOME S" имеет значение true, если значение предиката "x <comp op> s" равно true хотя бы для одного s, входящего в S. В остальных случаях значение предиката "x <comp op> SOME S" равно unknown.

Предикат exists

Предикат exists имеет следующий синтаксис:

<exists predicate>::= EXISTS <subquery>

Значением этого предиката всегда является true или false, и это значение равно true тогда и только тогда, когда результат вычисления подзапроса не пуст.

Раздел GROUP BY

Если в табличном выражении присутствует раздел GROUP BY, то следующим выполняется он. Синтаксис раздела GROUP BY следующий:

<group by clause>::= GROUP BY <column specification> [{,<column specification>}...]

Если обозначить через R таблицу, являющуюся результатом предыдущего раздела (FROM или WHERE), то результатом раздела GROUP BY является разбиение R на множество групп строк, состоящего из минимального числа групп таких, что для каждого столбца из списка столбцов раздела GROUP BY во всех строках каждой группы, включающей более одной строки, значения этого столбца равны. Для обозначения результата раздела GROUP BY в стандарте используется термин "сгруппированная таблица".

Раздел HAVING

Наконец, последним при вычислении табличного выражения используется раздел HAVING (если он присутствует). Синтаксис этого раздела следующий:

<having clause>::= HAVING <search condition>

Раздел HAVING может осмысленно появиться в табличном выражении только в том случае, когда в нем присутствует раздел GROUP BY. Условие поиска этого раздела задает условие на группу строк сгруппированной таблицы. Формально раздел HAVING может присутствовать и в табличном выражении, не содержащем GROUP BY. В этом случае полагается, что результат вычисления предыдущих разделов представляет собой сгруппированную таблицу, состоящую из одной группы без выделенных столбцов группирования.

Условие поиска раздела HAVING строится по тем же синтаксическим правилам, что и условие поиска раздела WHERE, и может включать те же самые предикаты. Однако имеются специальные синтаксические ограничения по части использования в условии поиска спецификаций столбцов таблиц из раздела FROM данного табличного выражения. Эти ограничения следуют из того, что условие поиска раздела HAVING задает условие на целую группу, а не на индивидуальные строки.

Поэтому в арифметических выражениях предикатов, входящих в условие выборки раздела HAVING, прямо можно использовать только спецификации столбцов, указанных в качестве столбцов группирования в разделе GROUP BY. Остальные столбцы можно специфицировать только внутри спецификаций агрегатных функций COUNT, SUM, AVG, MIN и MAX, вычисляющих в данном случае некоторое агрегатное значение для всей группы строк. Аналогично обстоит дело с подзапросами, входящими в предикаты условия выборки раздела HAVING: если в подзапросе используется характеристика текущей группы, то она может задаваться только путем ссылки на столбцы группирования.

Результатом выполнения раздела HAVING является сгруппированная таблица, содержащая только те группы строк, для которых результат вычисления условия поиска есть true. В частности, если раздел HAVING присутствует в табличном выражении, не содержащем GROUP BY, то результатом его выполнения будет либо пустая таблица, либо результат выполнения предыдущих разделов табличного выражения, рассматриваемый как одна группа без столбцов группирования.