基于关系型代数的 SQL 等价改写

Posted 2021-09-28 dbLenis

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看过我那篇《SQL 数据库小白，从入门到精通》的朋友，一定不会陌生，SQL 的数学原理，就是集合运算。

集合运算, 排名第一的交换律，是这样的：

交换律（Commutative Laws）：

• A ∪ B = B∪A，

• A ∩ B = B ∩ A

数学就这么妙！她把复杂的逻辑，抽象成简单的符号，收敛住精美。

当然，用纯数学理论来解释SQL,我想我会被骂成狗头。我的目的，是还原精简的符号，用实例来演绎背后的逻辑。

这里的A,B，是集合表达式。可以看成 SQL 的 where 驱动出的数据集。

比如有同学表如下:

CREATE TABLE dbo.STUDENTS(
    STUDENT_ID INT 
,   STUDENT_NAME NVARCHAR(256)
,   STUDENT_GENDER NVARCHAR(6)
    )

字段分别代表：

• STUDENT_ID: 学号

• STUDENT_NAME:姓名

• STUDENT_GENDER:性别

假使 A 逻辑是 ：

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男'
 

B 逻辑是:

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'女' 

那么

A ∪ B = B∪A，

则可以表达为 :

--A ∪ B 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男' OR STUDENT_GENDER=N'女'
 
 
--B∪A
SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE  STUDENT_GENDER=N'女' OR STUDENT_GENDER = N'男' 

或者表达为：

--A ∪ B 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男'
 
UNION 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER=N'女'


--B∪A

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER=N'女'

 
UNION 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男'


 

再或者：

--A ∪ B 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男'
 
UNION ALL 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER=N'女'
 
 
--B∪A

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER=N'女'

 
UNION ALL 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男'
 
  

这 3 对(Or，Union, All Union ) 2 组，都是用来抓取全部的同学，那么有什么不一样吗？为什么可以有六种写法

聪明如你一定能想到，其实我这么写出来，肯定是有不一样的地方。

本质上，这 6 条语句，完成同一件事，但写法的复杂度，肉眼可见的递增。性能，也是逐个渐好。这一点，与大多数初学者的直觉相反。

没错，这才是本文要讲的重点，基于关系型代数的SQL等价改写

我记得，有一次做报表，肯兹肯兹写了一下午的 SQL ，死抠了各种业务细节，精简了各类逻辑表达，自认为方方面面都考虑周全，无可挑剔。

虽然用了二十多个 UNION ALL, 代码长达 800 多行，但整体代码排版合理，逻辑清晰可见，一是一，二是二，阅读体验特别棒。这么完美的一个报表 SQL，自己看着都要给自己磕头。

但，就怕人比人！直到我看到另一个同事写的SQL，区区2，30行，结果居然一样的。便羞耻得惊掉下巴。怎么会这样？！

我忍不住从 Code Repo 里面 Clone 下来，仔细把玩，哦不，品读。

细看，这段SQL，版面清洁光滑，短小耐看，逻辑还不失完整。我不由得连连佩服，这样清秀的代码，简直把我摁在地上，摩擦了几条街。

从此，我便开始注意代码的凝练，就像写作般克制。于是就有了那篇《如何写好 5000 行的 SQL 代码》。

总体来说，写 SQL 或者其他代码，反复修改或重构，是提升自己的不二之法。

自那以后，我放弃了一遍就写好代码的妄想，刻意在每次写完之后，都反复修改 2-3 遍，直到自己心里说“ 对了，就是这样！”，才敢签入代码库。

就像现在我写文一样，越是害怕，越是难以下笔。唯有鼓足勇气，多读，多修改，内心的纠结与痛苦，才得以缓解。

你猜对了，我为最近的难产，找到一个好借口！

如此小心翼翼，却始终也还担心，再次遇到这位朋友，恐怕他的造诣又上升了几个段位。

有时，真被自己见贤思齐的心态，折腾得够呛。梦回午夜，经常感叹，自己的智商，技艺如此之低，竞争力何在啊。

扯远了，拉回到那 3对2组的 SQL 上来！

组之间，完成的是 A ∪ B 与 B∪A的 转换。所以他们之间并没有不同。但“对之间”，差异就很大。

这就是 SQL 等价改写的魅力所在！

运行第一对，看其执行计划：

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男' OR STUDENT_GENDER=N'女'

Table Scan 这个物理操作，代表的是访问表的方式。在这里，Table Scan 执行了全表扫描的操作。

Table Scan 这是一个非常危险的操作，需要优化

运行第二对，它的执行计划是这样：

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男'
 
UNION 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER=N'女'

除了第一对里出现的 Table Scan, 这里还出现了 Sort(Distinct Sort) 和 Concatenation 操作符。

这两个操作符，是拜 UNION 所赐，UNION 有一层去重的功能。所以，它的这个功能在本次查询中，是多余的，可去除。

第三对：

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男'
 
UNION ALL 

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER=N'女'
 
 

比起第二对，UNION ALL 去掉了去重的功能，即上下两个结果集，如果有同样的一条记录，会在最终的结果集保留下来

虽然，UNION ALL 会在性能上，优于 OR， 需要小心的是，在这里 A 与B 的限制条件互斥，才能改写，一旦两者有重合，则会出现重复记录，这就与实际需求不符了。

比如,往 STUDENTS 表里新建一条未知性别的同学：

INSERT INTO dbo.STUDENTS(STUDENT_NAME,STUDENT_GENDER) 
SELECT 'Test Case' , 'UNKWN' AS STUDENT_GENDER 

再执行

SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'男' OR STUDENT_GENDER = N'UNKWN'
UNION ALL 
SELECT * 
FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'女'  OR STUDENT_GENDER = N'UNKWN'
ORDER BY STUDENT_GENDER

就能看到有两条 UNKWN 性别的记录；

STUDENT_ID STUDENT_NAME STUDENT_GENDER
33815 Test Case UNKWN
33815 Test Case UNKWN

所以，SQL 转换前提，一定是等价.

上面的例子，是日常开发或面试常见操作。底下这例，便是体现优化功底的骚操作，不曾用过，就真不知道还能这么干。

SELECT *
FROM (

    SELECT A.*
    ,       B.*
    ,       C.*
    ,       D.*
    ,       E.*
    ,       F.*
    FROM A 
        INNER JOIN B ON B.XXX = A.XXX
        INNER JOIN C ON C.ZZZ = B.ZZZ 
        INNER JOIN D ON D.YYY = C.YYY 
        INNER JOIN E ON E.III = E.III
        INNER JOIN F ON F.PPP = E.PPP
) TMP 
    LEFT JOIN G ON G.WWW = TMP.WWW
WHERE TMP.FLD1 = 'SAMSUNG'
    AND TMP.FLD2 = 'KOREA'
    AND TMP.FLDX ='XXXX'

这种多表连接的 SQL，司空见惯。恐怕连接的表，只有更多。

初学者，往往能将逻辑理清楚，就已经非常吃力了。就像我之前的例子，哗哗哗，一通写下来，把数据找正确，就满足了。

但，假如 FLD1, FLD2, FLDX，隶属于 A,B,C,D,E,F，你是否能看出点什么来？

没错， A ∩ B = B ∩ A 交集等价转换：

SELECT *
FROM (

    SELECT A.*
    ,       B.*
    ,       C.*
    ,       D.*
    ,       E.*
    ,       F.*
    FROM A 
        INNER JOIN B ON B.XXX = A.XXX
    WHERE A.FLD1 = 'SAMSUNG'
    AND A.FLD2 = 'KOREA'
    AND B.FLDX ='XXXX'
) TMP 
    INNER JOIN C ON C.ZZZ = B.ZZZ 
    INNER JOIN D ON D.YYY = C.YYY 
    INNER JOIN E ON E.III = E.III
    INNER JOIN F ON F.PPP = E.PPP
    LEFT JOIN G ON G.WWW = TMP.WWW

前提：FLD1, FLD2, FLDX 隶属于 A,B 两表，且不是计算字段

原先的内连接，会抛出一个巨大的矩阵：

SELECT A.*
    ,       B.*
    ,       C.*
    ,       D.*
    ,       E.*
    ,       F.*
    FROM A 
        INNER JOIN B ON B.XXX = A.XXX
        INNER JOIN C ON C.ZZZ = B.ZZZ 
        INNER JOIN D ON D.YYY = C.YYY 
        INNER JOIN E ON E.III = E.III
        INNER JOIN F ON F.PPP = E.PPP

而事实上，基于

 WHERE A.FLD1 = 'SAMSUNG'
    AND A.FLD2 = 'KOREA'
    AND B.FLDX ='XXXX'
    

这样的条件，只能选出一条或者少量数据。那前期做了很多 Join 操作，就变成了无用功，浪费了计算资源。

驱动表最小化，这是优化的一条方法。如果优化器，做不到谓词推进，那只能人工帮他做选择。

什么是“谓词推进”？

当在 STUDENTS 表上加索引后，

CREATE INDEX IDX_STU_GENDER ON dbo.STUDENTS(STUDENT_GENDER) 

执行查询:

SELECT STUDENT_GENDER FROM dbo.STUDENTS 
WHERE STUDENT_GENDER = N'UNKWN'

标记为红框的部分，就是谓词表达式。只有谓词靠近原表，才能发挥减少数据访问量的作用。

--完--

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