Учебно – методическое пособие «Синтаксис языка SQL» Преподаватель: Французова Г.Н.

BNF-нотация. Опишем синтаксис оператора выборки данных (оператора SELECT) более точно. При описании синтаксиса операторов обычно используются условные обозначения, известные как стандартные формы Бэкуса-Наура (BNF).

В BNF обозначениях используются следующие элементы: Символ "::=" означает равенство по определению. Слева от знака стоит определяемое понятие, справа - собственно определение понятия. Ключевые слова записываются прописными буквами. Они зарезервированы и составляют часть оператора.

Метки-заполнители конкретных значений элементов и переменных записываются курсивом. Необязательные элементы оператора заключены в квадратные скобки [].

Вертикальная черта | указывает на то, что все предшествующие ей элементы списка являются необязательными и могут быть заменены любым другим элементом списка после этой черты.

Фигурные скобки {} указывают на то, что все находящееся внутри них является единым целым. Троеточие "…" означает, что предшествующая часть оператора может быть повторена любое количество раз.

Многоточие, внутри которого находится запятая ".,.." указывает, что предшествующая часть оператора, состоящая из нескольких элементов, разделенных запятыми, может иметь произвольное число повторений. Запятую нельзя ставить после последнего элемента. Замечание: данное соглашение не входит в стандарт BNF, но позволяет более точно описать синтаксис операторов SQL. Круглые скобки являются элементом оператора.

Синтаксис оператора выборки. В довольно сильно упрощенном виде оператор выборки данных имеет следующий синтаксис (для некоторых элементов мы дадим не BNF- определения, а словесное описание):

Оператор выборки ::= Табличное выражение [ORDER BY {{Имя столбца-результата [ASC | DESC]} | {Положительное целое [ASC | DESC]}}.,..];

Табличное выражение ::= Select-выражение [ {UNION | INTERSECT | EXCEPT} [ALL] {Select-выражение | TABLE Имя таблицы | Конструктор значений таблицы} ]

[ {UNION | INTERSECT | EXCEPT} [ALL] {Select-выражение | TABLE Имя таблицы | Конструктор значений таблицы} ]

Select-выражение ::= SELECT [ALL | DISTINCT] {{{Скалярное выражение | Функция агрегирования | Select-выражение} [AS Имя столбца]}.,..}

| {{Имя таблицы|Имя корреляции}.*} | * FROM { {Имя таблицы [AS] [Имя корреляции] [(Имя столбца.,..)]} | {Select-выражение [AS] Имя корреляции [(Имя столбца.,..)]} | Соединенная таблица }.,..

[WHERE Условное выражение] [GROUP BY {[{Имя таблицы|Имя корреляции}.]Имя столбца}.,..] [HAVING Условное выражение] Замечание. Select-выражение в разделе SELECT, используемое в качестве значения для отбираемого столбца, должно возвращать таблицу, состоящую из одной строки и одного столбца, т.е. скалярное выражение.

Замечание. Условное выражение в разделе WHERE должно вычисляться для каждой строки, являющейся кандидатом в результатирующее множество строк. В этом условном выражении можно использовать подзапросы. Синтаксис условных выражений, допустимых в разделе WHERE рассматривается ниже.

. Условное выражение, сформулированное в разделе WHERE, может быть перенесено в раздел HAVING. Перенос условий из раздела HAVING в раздел WHERE невозможен, если условное выражение содержит агрегатные функции. Перенос условий из раздела WHERE в раздел HAVING является плохим стилем программирования - эти разделы предназначены для различных по смыслу условий (условия для строк и условия для групп строк).

Замечание. Раздел HAVING содержит условное выражение, вычисляемое для каждой группы, определяемой списком группировки в разделе GROUP BY. Это условное выражение может содержать функции агрегирования, вычисляемые для каждой группы.

Замечание. Если в разделе SELECT присутствуют агрегатные функции, то они вычисляются по-разному в зависимости от наличия раздела GROUP BY. Если раздел GROUP BY отсутствует, то результат запроса возвращает не более одной строки. Агрегатные функции вычисляются по всем строкам, удовлетворяющим условному выражению в разделе WHERE. Если раздел GROUP BY присутствует, то агрегатные функции вычисляются по отдельности для каждой группы, определенной в разделе GROUP BY.

Скалярное выражение - в качестве скалярных выражений в разделе SELECT могут выступать либо имена столбцов таблиц, входящих в раздел FROM, либо простые функции, возвращающие скалярные значения.

Функция агрегирования ::= COUNT (*) | { {COUNT | MAX | MIN | SUM | AVG} ([ALL | DISTINCT] Скалярное выражение) }

Конструктор значений таблицы ::= VALUES Конструктор значений строки.,.. Конструктор значений строки ::= Элемент конструктора | (Элемент конструктора.,..) | Select-выражение

Замечание. Select-выражение, используемое в конструкторе значений строки, обязано возвращать ровно одну строку.

Элемент конструктора ::= Выражение для вычисления значения | NULL | DEFAULT

Синтаксис соединенных таблиц. В разделе FROM оператора SELECT можно использовать соединенные таблицы. Пусть в результате некоторых операций мы получаем таблицы A и B. Такими операциями могут быть, например, оператор SELECT или другая соединенная таблица. Тогда синтаксис соединенной таблицы имеет следующий вид:

Соединенная таблица ::= Перекрестное соединение | Естественное соединение | Соединение посредством предиката | Соединение посредством имен столбцов | Соединение объединения

Тип соединения ::= Таблица А CROSS JOIN Таблица В Естественное соединение ::= Таблица А [NATURAL] [Тип соединения] JOIN Таблица В Соединение посредством предиката ::= Таблица А [Тип соединения] JOIN Таблица В ON Предикат Соединение посредством имен столбцов ::= Таблица А [Тип соединения] JOIN Таблица В USING (Имя столбца.,..) Соединение объединения ::= Таблица А UNION JOIN Таблица В

Опишем используемые термины. CROSS JOIN - Перекрестное соединение возвращает просто декартово произведение таблиц. Такое соединение в разделе FROM может быть заменено списком таблиц через запятую.

NATURAL JOIN - Естественное соединение производится по всем столбцам таблиц А и В, имеющим одинаковые имена. В результатирующую таблицу одинаковые столбцы вставляются только один раз.

JOIN … ON - Соединение посредством предиката соединяет строки таблиц А и В посредством указанного предиката.

JOIN … USING - Соединение посредством имен столбцов соединяет отношения подобно естественному соединению по тем общим столбцам таблиц А и Б, которые указаны в списке USING.

OUTER - Ключевое слово OUTER (внешний) не является обязательными, оно не используется ни в каких операциях с данными.

INNER - Тип соединения "внутреннее". Внутренний тип соединения используется по умолчанию, когда тип явно не задан. В таблицах А и В соединяются только те строки, для которых найдено совпадение.

LEFT (OUTER) - Тип соединения "левое (внешнее)". Левое соединение таблиц А и В включает в себя все строки из левой таблицы А и те строки из правой таблицы В, для которых обнаружено совпадение. Для строк из таблицы А, для которых не найдено соответствия в таблице В, в столбцы, извлекаемые из таблицы В, заносятся значения NULL.

RIGHT (OUTER) - Тип соединения "правое (внешнее)". Правое соединение таблиц А и В включает в себя все строки из правой таблицы В и те строки из левой таблицы А, для которых обнаружено совпадение. Для строк из таблицы В, для которых не найдено соответствия в таблице А, в столбцы, извлекаемые из таблицы А заносятся значения NULL.

FULL (OUTER) - Тип соединения "полное (внешнее)". Это комбинация левого и правого соединений. В полное соединение включаются все строки из обеих таблиц. Для совпадающих строк поля заполняются реальными значениями, для несовпадающих строк поля заполняются в соответствии с правилами левого и правого соединений.

UNION JOIN - Соединение объединения является обратным по отношению к внутреннему соединению. Оно включает только те строки из таблиц А и В, для которых не найдено совпадений. В них используются значения NULL для столбцов, полученных из другой таблицы. Если взять полное внешнее соединение и удалить из него строки, полученные в результате внутреннего соединения, то получится соединение объединения.

Использование соединенных таблиц часто облегчает восприятие оператора SELECT, особенно, когда используется естественное соединение. Если не использовать соединенные таблицы, то при выборе данных из нескольких таблиц необходимо явно указывать условия соединения в разделе WHERE. Если при этом пользователь указывает сложные критерии отбора строк, то в разделе WHERE смешиваются семантически различные понятия - как условия связи таблиц, так и условия отбора строк

Синтаксис условных выражений раздела Where Условное выражение, используемое в разделе WHERE оператора SELECT должно вычисляться для каждой строки-кандидата, отбираемой оператором SELECT. Условное выражение может возвращать одно из трех значений истинности: TRUE, FALSE или UNKNOUN. Строка-кандидат отбирается в результатирующее множество строк только в том случае, если для нее условное выражение вернуло значение TRUE. Условные выражения имеют следующий синтаксис (в целях упрощения изложения приведены не все возможные предикаты):

Условное выражение ::= [ ( ] [NOT] {Предикат сравнения | Предикат between | Предикат in | Предикат like | Предикат null | Предикат количественного сравнения | Предикат exist | Предикат unique | Предикат match | Предикат overlaps} [{AND | OR} Условное выражение] [ ) ] [IS [NOT] {TRUE | FALSE | UNKNOWN}]

Предикат сравнения ::= Конструктор значений строки {= | | = | <>} Конструктор значений строки Пример 33. Сравнение поля таблицы и скалярного значения: POSTAV.VOLUME > 100

Пример 34. Сравнение двух сконструированных строк: (PD.PNUM, PD.DNUM) = (1, 25) Этот пример эквивалентен условному выражению PD.PNUM = 1 AND PD.DNUM = 25

Предикат between ::= Конструктор значений строки [NOT] BETWEEN Конструктор значений строки AND Конструктор значений строки

Пример 35. PD.VOLUME BETWEEN 10 AND 100 Предикат in ::= Конструктор значений строки [NOT] IN {(Select-выражение) | (Выражение для вычисления значения.,..)}

Пример 36. P.PNUM IN (SELECT PD.PNUM FROM PD WHERE PD.DNUM=2) Пример 37. P.PNUM IN (1, 2, 3, 5) Предикат like ::= Выражение для вычисления значения строки- поиска [NOT] LIKE Выражение для вычисления значения строки- шаблона [ESCAPE Символ]

Замечание. Предикат LIKE производит поиск строки-поиска в строке-шаблоне. В строке- шаблоне разрешается использовать два трафаретных символа: Символ подчеркивания "_" может использоваться вместо любого единичного символа в строке-поиска, Символ процента "%" может заменять набор любых символов в строке-поиска (число символов в наборе может быть от 0 и более).

Предикат null ::= Конструктор значений строки IS [NOT] NULL Замечание. Предикат NULL применяется специально для проверки, не равно ли проверяемое выражение null-значению.

Предикат количественного сравнения ::= Конструктор значений строки {= | | = | <>} {ANY | SOME | ALL} (Select-выражение)

Замечание. Кванторы ANY и SOME являются синонимами и полностью взаимозаменяемы. Замечание. Если указан квантор ALL, то предикат количественного сравнения возвращает TRUE, если сравниваемое значение совпадает с каждым значением, возвращаемом в подзапросе (select- выражении).

Предикат exist ::= EXIST (Select-выражение) Замечание. Предикат EXIST возвращает значение TRUE, если результат подзапроса (select- выражения) не пуст.

Предикат unique ::= UNIQUE (Select-выражение) Замечание. Предикат UNIQUE возвращает TRUE, если в результате подзапроса (select-выражения) нет совпадающих строк.

Предикат match ::= Конструктор значений строки MATCH [UNIQUE] [PARTIAL | FULL] (Select-выражение) Замечание. Предикат MATCH проверяет, будет ли значение, определенное в конструкторе строки совпадать со значением любой строки, полученной в результате подзапроса.

Предикат overlaps ::= Конструктор значений строки OVERLAPS Конструктор значений строки Замечание. Предикат OVERLAPS, является специализированным предикатом, позволяющем определить, будет ли указанный период времени перекрывать другой период времени.

Порядок выполнения оператора SELECT. Для того чтобы понять, как получается результат выполнения оператора SELECT, рассмотрим концептуальную схему его выполнения. Эта схема является именно концептуальной, т.к. гарантируется, что результат будет таким, как если бы он выполнялся шаг за шагом в соответствии с этой схемой. На самом деле, реально результат получается более изощренными алгоритмами, которыми "владеет" конкретная СУБД.

Стадия 1. Выполнение одиночного оператора SELECT. Если в операторе присутствуют ключевые слова UNION, EXCEPT и INTERSECT, то запрос разбивается на несколько независимых запросов, каждый из которых выполняется отдельно:

Шаг 1 (FROM). Вычисляется прямое декартовое произведение всех таблиц, указанных в обязательном разделе FROM. В результате шага 1 получаем таблицу A.

Шаг 2 (WHERE). Если в операторе SELECT присутствует раздел WHERE, то сканируется таблица A, полученная при выполнении шага 1. При этом для каждой строки из таблицы A вычисляется условное выражение, приведенное в разделе WHERE. Только те строки, для которых условное выражение возвращает значение TRUE, включаются в результат. Если раздел WHERE опущен, то сразу переходим к шагу 3. Если в условном выражении участвуют вложенные подзапросы, то они вычисляются в соответствии с данной концептуальной схемой. В результате шага 2 получаем таблицу B.

Шаг 3 (GROUP BY). Если в операторе SELECT присутствует раздел GROUP BY, то строки таблицы B, полученной на втором шаге, группируются в соответствии со списком группировки, приведенным в разделе GROUP BY. Если раздел GROUP BY опущен, то сразу переходим к шагу 4. В результате шага 3 получаем таблицу С.

Шаг 4 (HAVING). Если в операторе SELECT присутствует раздел HAVING, то группы, не удовлетворяющие условному выражению, приведенному в разделе HAVING, исключаются. Если раздел HAVING опущен, то сразу переходим к шагу 5. В результате шага 4 получаем таблицу D.

Шаг 5 (SELECT). Каждая группа, полученная на шаге 4, генерирует одну строку результата следующим образом. Вычисляются все скалярные выражения, указанные в разделе SELECT. По правилам использования раздела GROUP BY, такие скалярные выражения должны быть одинаковыми для всех строк внутри каждой группы. Для каждой группы вычисляются значения агрегатных функций, приведенных в разделе SELECT. Если раздел GROUP BY отсутствовал, но в разделе SELECT есть агрегатные функции, то считается, что имеется всего одна группа. Если нет ни раздела GROUP BY, ни агрегатных функций, то считается, что имеется столько групп, сколько строк отобрано к данному моменту. В результате шага 5 получаем таблицу E, содержащую столько колонок, сколько элементов приведено в разделе SELECT и столько строк, сколько отобрано групп.

Стадия 2. Выполнение операций UNION, EXCEPT, INTERSECT. Если в операторе SELECT присутствовали ключевые слова UNION, EXCEPT и INTERSECT, то таблицы, полученные в результате выполнения 1-й стадии, объединяются, вычитаются или пересекаются.

Стадия 3. Упорядочение результата. Если в операторе SELECT присутствует раздел ORDER BY, то строки полученной на предыдущих шагах таблицы упорядочиваются в соответствии со списком упорядочения, приведенном в разделе ORDER BY.

Как на самом деле выполняется оператор SELECT. Если внимательно рассмотреть приведенный выше концептуальный алгоритм вычисления результата оператора SELECT, то сразу понятно, что выполнять его непосредственно в таком виде чрезвычайно накладно. Даже на самом первом шаге, когда вычисляется декартово произведение таблиц, приведенных в разделе FROM, может получиться таблица огромных размеров, причем практически большинство строк и колонок из нее будет отброшено на следующих шагах. На самом деле в РСУБД имеется оптимизатор, функцией которого является нахождение такого оптимального алгоритма выполнения запроса, который гарантирует получение правильного результата.

Схематично работу оптимизатора можно представить в виде последовательности нескольких шагов: Шаг 1 (Синтаксический анализ). Поступивший запрос подвергается синтаксическому анализу. На этом шаге определяется, правильно ли вообще (с точки зрения синтаксиса SQL) сформулирован запрос. В ходе синтаксического анализа вырабатывается некоторое внутренне представление запроса, используемое на последующих шагах.

Шаг 2 (Преобразование в каноническую форму). Запрос во внутреннем представлении подвергается преобразованию в некоторую каноническую форму. При преобразовании к канонической форме используются как синтаксические, так и семантические преобразования. Синтаксические преобразования (например, приведения логических выражений к конъюнктивной или дизъюнктивной нормальной форме, замена выражений "x AND NOT x" на "FALSE", и т.п.) позволяют получить новое внутренне представление запроса, синтаксически эквивалентное исходному, но стандартное в некотором смысле. Семантические преобразования используют дополнительные знания, которыми владеет система, например, ограничения целостности. В результате семантических преобразований получается запрос, синтаксически не эквивалентный исходному, но дающий тот же самый результат.

Шаг 3 (Генерация планов выполнения запроса и выбор оптимального плана). На этом шаге оптимизатор генерирует множество возможных планов выполнения запроса. Каждый план строится как комбинация низкоуровневых процедур доступа к данным из таблиц, методам соединения таблиц. Из всех сгенерированных планов выбирается план, обладающий минимальной стоимостью. При этом анализируются данные о наличии индексов у таблиц, статистических данных о распределении значений в таблицах, и т.п. Стоимость плана это, как правило, сумма стоимостей выполнения отдельных низкоуровневых процедур, которые используются для его выполнения. В стоимость выполнения отдельной процедуры могут входить оценки количества обращений к дискам, степень загруженности процессора и другие параметры.

Шаг 4. (Выполнение плана запроса). На этом шаге план, выбранный на предыдущем шаге, передается на реальное выполнение.

Во многом качество конкретной СУБД определяется качеством ее оптимизатора. Хороший оптимизатор может повысить скорость выполнения запроса на несколько порядков. Качество оптимизатора определяется тем, какие методы преобразований он может использовать, какой статистической и иной информацией о таблицах он располагает, какие методы для оценки стоимости выполнения плана он знает.

Реализация реляционной алгебры средствами оператора SELECT (Реляционная полнота SQL). Для того, чтобы показать, что язык SQL является реляционно полным, нужно показать, что любой реляционный оператор может быть выражен средствами SQL. На самом деле достаточно показать, что средствами SQL можно выразить любой из примитивных реляционных операторов.

Оператор декартового произведения Реляционная алгебра: A TIMES B Оператор SQL: SELECT A.Поле 1, A.Поле 2, …, B.Поле 1, B.Поле 2, … FROM A, B; или SELECT A.Поле 1, A.Поле 2, …, B.Поле 1, B.Поле 2, … FROM A CROSS JOIN B;

Оператор проекции. Реляционная алгебра: A [ X, Y,..., Z ] Оператор SQL: SELECT DISTINCT X, Y, …, Z FROM A;

Оператор выборки. Реляционная алгебра: A WHERE c, Оператор SQL: SELECT * FROM A WHERE c;

Оператор объединения. Реляционная алгебра: A UNION B Оператор SQL: SELECT * FROM A UNION SELECT * FROM B;

Оператор вычитания. Реляционная алгебра: A MINUS B Оператор SQL: SELECT * FROM A EXCEPT SELECT * FROM B

Реляционный оператор переименования RENAME выражается при помощи ключевого слова AS в списке отбираемых полей оператора SELECT. Таким образом, язык SQL является реляционно полным. Остальные операторы реляционной алгебры (соединение, пересечение, деление) выражаются через примитивные, следовательно, могут быть выражены операторами SQL. Тем не менее, для практических целей приведем их.

Оператор соединения. Реляционная алгебра: ( A TIMES B ) WHERE c Оператор SQL: SELECT A.Поле 1, A.Поле 2, …, B.Поле 1, B.Поле 2, … FROM A, B WHERE c; или SELECT A.Поле 1, A.Поле 2, …, B.Поле 1, B.Поле 2, … FROM A CROSS JOIN B WHERE c;

Оператор пересечения. Реляционная алгебра: A INTERSECT B Оператор SQL: SELECT * FROM A INTERSECT SELECT * FROM B;

Оператор деления. Реляционная алгебра: A ( X, Y ) DEVIDBY B( Y ) Оператор SQL: SELECT DISTINCT A.X FROM A WHERE NOT EXIST (SELECT * FROM B WHERE NOT EXIST (SELECT * FROM A A1 WHERE A1. X = A.X AND A1. Y = B.Y));

Замечание. Оператор SQL, реализующий деление отношений трудно запомнить, поэтому дадим пример эквивалентного преобразования выражений, представляющих суть запроса. Пусть отношение A содержит данные о поставках деталей, отношение B содержит список всех деталей, которые могут поставляться. Атрибут X является номером поставщика, атрибут Y является номером детали. Разделить отношение A на отношение B означает в данном примере "отобрать номера поставщиков, которые поставляют все детали". Преобразуем текст выражения:

"Отобрать номера поставщиков, которые поставляют все детали" эквивалентно "Отобрать те номера поставщиков из таблицы A, для которых не существует непоставляемых деталей в таблице B" эквивалентно "Отобрать те номера поставщиков из таблицы A, для которых не существует тех номеров деталей из таблицы B, которые не поставляются этим поставщиком" эквивалентно

"Отобрать те номера поставщиков из таблицы A, для которых не существует тех номеров деталей из таблицы B, для которых не существует записей о поставках в таблице A для этого поставщика и этой детали".

Последнее выражение дословно переводится на язык SQL. При переводе выражения на язык SQL нужно учесть, что во внутреннем подзапросе таблица A должна быть переименована, для того чтобы отличать ее от экземпляра этой же таблицы, используемой во внешнем запросе.

Выводы. Фактически стандартным языком доступа к базам данных в настоящее время стал язык SQL (Structured Query Language). Язык SQL оперирует терминами, несколько отличающимися от терминов реляционной теории, например, вместо "отношений" используются "таблицы", вместо "кортежей" - "строки", вместо "атрибутов" - "колонки" или "столбцы".

Выводы. Фактически стандартным языком доступа к базам данных в настоящее время стал язык SQL (Structured Query Language). Язык SQL оперирует терминами, несколько отличающимися от терминов реляционной теории, например, вместо "отношений" используются "таблицы", вместо "кортежей" - "строки", вместо "атрибутов" - "колонки" или "столбцы".

Выводы. Стандарт языка SQL, хотя и основан на реляционной теории, но во многих местах отходит он нее.

Выводы. Основу языка SQL составляют операторы, условно разбитые не несколько групп по выполняемым функциям: Операторы DDL (Data Definition Language) - операторы определения объектов базы данных. Операторы DML (Data Manipulation Language) - операторы манипулирования данными. Операторы защиты и управления данными, и др.

Выводы. Одним из основных операторов DML является оператор SELECT, позволяющий извлекать данные из таблиц и получать ответы на различные запросы. Оператор SELECT содержит в себе все возможности реляционной алгебры. Это означает, что любой оператор реляционной алгебры может быть выражен при помощи подходящего оператора SELECT. Этим доказывается реляционная полнота языка SQL.

Выводы. Различают концептуальную схему выполнения оператора SELECT и фактическую схему его выполнения. Концептуальная схема описывает, в какой логической последовательности должны выполняться операции, чтобы получить результат. При реальном выполнении оператора SELECT на первый план выступает достижение максимальной скорости выполнения запроса. Для этого используется оптимизатор, который, анализируя различные планы выполнения запроса, выбирает наилучший из них.

Литература: