MySQL高级特性之：`MySQL`的`WITH RECURSIVE`：其在处理层次化数据和图遍历中的应用。

MySQL的WITH RECURSIVE：层次化数据与图遍历的利器

大家好，今天我们来深入探讨MySQL中的一个高级特性：WITH RECURSIVE。它主要用于处理层次化数据和图遍历，使得在数据库层面进行递归查询成为可能，极大地简化了某些复杂业务逻辑的实现。

1. 什么是WITH RECURSIVE？

WITH RECURSIVE 是 MySQL 8.0 版本引入的 Common Table Expression (CTE) 的一个扩展。 CTE 允许我们在一个查询中定义一个命名的临时结果集，这个结果集可以在主查询中被多次引用。 WITH RECURSIVE 的特殊之处在于，它允许 CTE 定义自身引用，从而实现递归。 这对于处理树状结构，组织结构，或者图状结构的数据非常有用。

2. WITH RECURSIVE 的基本语法

WITH RECURSIVE CTE 的基本语法如下：

WITH RECURSIVE cte_name AS (
  -- 锚点成员 (Anchor Member):  定义递归的起始点
  SELECT ...
  UNION ALL  -- 或 UNION DISTINCT，根据需求选择
  -- 递归成员 (Recursive Member):  定义递归规则，引用 cte_name
  SELECT ... FROM cte_name WHERE ...
)
-- 主查询 (Main Query):  使用 cte_name 的查询
SELECT ... FROM cte_name;

• WITH RECURSIVE cte_name AS (...): 声明一个名为 cte_name 的递归 CTE。
• 锚点成员 (Anchor Member): 这是递归的起始点，通常是一个简单的 SELECT 语句，用于选择递归的初始行。 锚点成员只执行一次。
• UNION ALL 或 UNION DISTINCT: 用于连接锚点成员和递归成员的结果。 UNION ALL 保留所有重复行，而 UNION DISTINCT 会去除重复行。 在递归查询中，通常使用 UNION ALL，因为去除重复行的操作会增加查询的开销，而且在很多情况下，重复行本身就包含了有用的信息。
• 递归成员 (Recursive Member): 这是递归的核心部分，它引用了 CTE 自身 (cte_name)。 递归成员的 SELECT 语句从 CTE 的前一次迭代结果中获取数据，并根据定义的规则生成新的数据。 递归成员会重复执行，直到满足终止条件。
• 主查询 (Main Query): 这是最终执行的查询，它从递归 CTE 的结果中选择所需的数据。

3. 层次化数据处理：组织结构示例

假设我们有一个员工表 employees，用于存储员工的组织结构关系：

CREATE TABLE employees (
  employee_id INT PRIMARY KEY,
  employee_name VARCHAR(255),
  manager_id INT,
  FOREIGN KEY (manager_id) REFERENCES employees(employee_id)
);

INSERT INTO employees (employee_id, employee_name, manager_id) VALUES
(1, 'John Smith', NULL),
(2, 'Alice Johnson', 1),
(3, 'Bob Williams', 1),
(4, 'Charlie Brown', 2),
(5, 'David Davis', 2),
(6, 'Eve Miller', 3),
(7, 'Frank Wilson', 3),
(8, 'Grace Moore', 4),
(9, 'Henry Taylor', 4);

现在，我们要查询所有员工及其对应的层级关系。我们可以使用 WITH RECURSIVE 来实现：

WITH RECURSIVE employee_hierarchy AS (
  -- 锚点成员：选择顶级员工（没有经理）
  SELECT employee_id, employee_name, manager_id, 1 AS level
  FROM employees
  WHERE manager_id IS NULL

  UNION ALL

  -- 递归成员：选择下级员工，并增加层级
  SELECT e.employee_id, e.employee_name, e.manager_id, eh.level + 1 AS level
  FROM employees e
  INNER JOIN employee_hierarchy eh ON e.manager_id = eh.employee_id
)
-- 主查询：选择所有员工及其层级
SELECT employee_id, employee_name, level
FROM employee_hierarchy
ORDER BY level, employee_name;

这个查询的执行过程如下：

1. 锚点成员：首先，选择 manager_id 为 NULL 的员工，也就是顶级员工 John Smith，并设置其层级为 1。
2. 递归成员：然后，递归地选择所有下级员工。 递归成员连接 employees 表和 employee_hierarchy CTE，找到 employees 表中 manager_id 等于 employee_hierarchy CTE 中 employee_id 的员工。 每次递归，层级 level 都会加 1。
3. 递归终止条件：递归会一直进行，直到没有新的下级员工被找到为止。 也就是说，当递归成员返回的结果集为空时，递归终止。
4. 主查询：最后，主查询从 employee_hierarchy CTE 中选择所有员工及其层级，并按照层级和员工姓名排序。

查询结果如下：

employee_id	employee_name	level
1	John Smith	1
2	Alice Johnson	2
3	Bob Williams	2
4	Charlie Brown	3
5	David Davis	3
6	Eve Miller	3
7	Frank Wilson	3
8	Grace Moore	4
9	Henry Taylor	4

4. 图遍历：寻找路径示例

假设我们有一个城市之间的航线表 flights，用于存储城市之间的航班信息：

CREATE TABLE flights (
  origin VARCHAR(255),
  destination VARCHAR(255),
  cost INT
);

INSERT INTO flights (origin, destination, cost) VALUES
('A', 'B', 100),
('A', 'C', 150),
('B', 'D', 120),
('C', 'D', 80),
('D', 'E', 90),
('E', 'F', 110);

现在，我们要找到从城市 ‘A’ 到城市 ‘F’ 的所有可能路径，并计算每条路径的总成本。 我们可以使用 WITH RECURSIVE 来实现：

WITH RECURSIVE paths AS (
  -- 锚点成员：选择从 'A' 出发的直达航班
  SELECT origin, destination, cost, CAST(origin || '->' || destination AS CHAR(255)) AS path
  FROM flights
  WHERE origin = 'A'

  UNION ALL

  -- 递归成员：选择可以连接到已有路径的航班
  SELECT f.origin, f.destination, p.cost + f.cost, CAST(p.path || '->' || f.destination AS CHAR(255)) AS path
  FROM flights f
  INNER JOIN paths p ON f.origin = p.destination
  WHERE p.path NOT LIKE '%' || f.destination || '%'  -- 防止循环
)
-- 主查询：选择到达 'F' 的所有路径及其总成本
SELECT path, cost
FROM paths
WHERE destination = 'F';

这个查询的执行过程如下：

1. 锚点成员：首先，选择所有从城市 ‘A’ 出发的直达航班，并记录起点、终点、成本和路径。
2. 递归成员：然后，递归地选择可以连接到已有路径的航班。 递归成员连接 flights 表和 paths CTE，找到 flights 表中 origin 等于 paths CTE 中 destination 的航班。 每次递归，成本 cost 会加上新航班的成本，路径 path 会加上新航班的终点。 WHERE p.path NOT LIKE '%' || f.destination || '%' 用于防止循环，避免路径中出现重复的城市。
3. 递归终止条件：递归会一直进行，直到没有新的航班可以连接到已有路径为止。
4. 主查询：最后，主查询从 paths CTE 中选择所有到达城市 ‘F’ 的路径及其总成本。

查询结果如下：

path	cost
A->B->D->E->F	420
A->C->D->E->F	430

5. 更多应用场景

除了组织结构和图遍历之外，WITH RECURSIVE 还可以应用于以下场景：

• 生成序列: 生成数字序列、日期序列等。
• 计算累计值: 计算累计销售额、累计利润等。
• 解决复杂的依赖关系: 例如，任务依赖关系、项目依赖关系等。
• 数据清洗: 递归地处理数据中的错误或不一致性。

6. 性能考量

虽然 WITH RECURSIVE 功能强大，但在使用时需要注意性能问题。 递归查询可能会导致大量的中间结果集，从而影响查询效率。 以下是一些优化 WITH RECURSIVE 查询的建议：

• 尽量缩小递归范围: 在锚点成员和递归成员中使用 WHERE 子句，尽可能地缩小递归的范围。
• 避免循环: 在递归成员中使用 WHERE 子句，防止出现循环，避免无限递归。 可以使用 NOT LIKE 或其他方式来检测和排除循环。
• 使用索引: 在连接条件中使用的列上创建索引，可以提高查询效率。
• 考虑物化 CTE: 如果 CTE 的结果集被多次使用，可以考虑将其物化，也就是将 CTE 的结果保存到临时表中，避免重复计算。 MySQL 8.0.19 以后支持 MATERIALIZED 关键字来强制物化 CTE。
• 评估执行计划: 使用 EXPLAIN 命令分析查询的执行计划，找出潜在的性能瓶颈。

7. 限制

WITH RECURSIVE 也有一些限制：

• 只能在 SELECT 语句中使用: WITH RECURSIVE 只能在 SELECT 语句中使用，不能在 INSERT, UPDATE, 或 DELETE 语句中使用。
• 递归深度限制: MySQL 有一个递归深度的限制，默认为 1000。 如果递归深度超过这个限制，查询会失败。 可以通过设置 cte_max_recursion_depth 系统变量来调整递归深度限制。 例如，SET GLOBAL cte_max_recursion_depth = 10000;
• 不支持某些高级功能: 例如，不支持在递归成员中使用聚合函数。

8. 示例：生成数字序列

我们可以使用 WITH RECURSIVE 生成一个数字序列：

WITH RECURSIVE numbers AS (
  -- 锚点成员：起始数字
  SELECT 1 AS n
  UNION ALL
  -- 递归成员：递增
  SELECT n + 1 FROM numbers WHERE n < 10
)
-- 主查询：选择所有数字
SELECT n FROM numbers;

这个查询会生成从 1 到 10 的数字序列。

9. 示例：计算阶乘

我们还可以使用 WITH RECURSIVE 计算一个数的阶乘：

WITH RECURSIVE factorial AS (
  -- 锚点成员：1 的阶乘
  SELECT 1 AS n, 1 AS fact
  UNION ALL
  -- 递归成员：计算 n 的阶乘
  SELECT n + 1, (n + 1) * fact FROM factorial WHERE n < 5
)
-- 主查询：选择 5 的阶乘
SELECT fact FROM factorial WHERE n = 5;

这个查询会计算 5 的阶乘，结果为 120。

10. 示例：查找所有上级领导

利用之前的 employees 表，我们可以查询某个员工的所有上级领导：

WITH RECURSIVE employee_hierarchy AS (
    -- 锚点成员：起始员工
    SELECT employee_id, employee_name, manager_id, 0 AS level
    FROM employees
    WHERE employee_id = 9 -- 例如，查询员工 9 的所有上级领导

    UNION ALL

    -- 递归成员：查找上级领导
    SELECT e.employee_id, e.employee_name, e.manager_id, eh.level + 1 AS level
    FROM employees e
    INNER JOIN employee_hierarchy eh ON e.employee_id = eh.manager_id
)
-- 主查询：选择所有上级领导
SELECT employee_id, employee_name, level
FROM employee_hierarchy
WHERE level > 0  -- 排除起始员工
ORDER BY level DESC;

这个查询会返回员工 9 的所有上级领导，以及他们的层级关系。

11. 示例：查找所有下级员工

同样利用 employees 表，我们也可以查询某个员工的所有下级员工:

WITH RECURSIVE employee_hierarchy AS (
    -- 锚点成员：起始员工
    SELECT employee_id, employee_name, manager_id, 0 AS level
    FROM employees
    WHERE employee_id = 1 -- 例如，查询员工 1 的所有下级员工

    UNION ALL

    -- 递归成员：查找下级员工
    SELECT e.employee_id, e.employee_name, e.manager_id, eh.level + 1 AS level
    FROM employees e
    INNER JOIN employee_hierarchy eh ON e.manager_id = eh.employee_id
)
-- 主查询：选择所有下级员工
SELECT employee_id, employee_name, level
FROM employee_hierarchy
WHERE level > 0  -- 排除起始员工
ORDER BY level ASC;

这个查询会返回员工 1 的所有下级员工，以及他们的层级关系。

12. 注意事项和最佳实践

• 理解递归的本质: 深入理解递归的原理和过程，才能更好地使用 WITH RECURSIVE。
• 设计良好的数据模型: 合理的数据模型是实现高效递归查询的基础。
• 测试和验证: 充分测试和验证递归查询的结果，确保其正确性和可靠性。
• 监控性能: 持续监控递归查询的性能，及时发现和解决性能问题。

13. WITH RECURSIVE 的优缺点总结

特性	优点	缺点
功能	能够处理层次化数据和图结构	只能在 SELECT 语句中使用
语法	简化了复杂的递归查询	语法相对复杂，需要理解递归原理
性能	在某些情况下，性能优于传统的递归查询	递归深度有限制，可能影响性能
适用性	适用于组织结构、图遍历等场景	不适用于所有类型的递归问题

14. 掌握递归查询，解决复杂问题

总的来说，WITH RECURSIVE 是 MySQL 中一个非常有用的特性，它使得在数据库层面进行递归查询成为可能，极大地简化了某些复杂业务逻辑的实现。 通过掌握 WITH RECURSIVE 的语法和应用场景，我们可以更有效地处理层次化数据和图结构，解决更多复杂的问题。

15. WITH RECURSIVE 简化了递归查询，但在使用时需要注意性能优化。