MySQL高级特性之：`MySQL`的`CTE`物化：`WITH … AS …`的临时表创建机制。

MySQL CTE 物化：WITH ... AS ... 的临时表创建机制

大家好，今天我们来深入探讨 MySQL 中一个非常强大的特性：公共表表达式 (Common Table Expressions, CTE)，特别是 CTE 的物化行为以及它所创建的临时表机制。 CTE 通过 WITH ... AS ... 语法，允许我们在一个查询中定义命名的子查询，从而提高 SQL 代码的可读性和可维护性。更重要的是，理解 CTE 的物化方式，可以帮助我们优化查询性能。

什么是 CTE (Common Table Expression)？

简单来说，CTE 是一个临时的结果集，它在单个 SELECT、INSERT、UPDATE 或 DELETE 语句的执行范围内定义。 我们可以把 CTE 想象成一个临时视图，但它只存在于当前语句的执行过程中。 CTE 的基本语法如下：

WITH
    cte_name AS (
        SELECT column1, column2
        FROM table1
        WHERE condition
    )
SELECT * FROM cte_name;

在这个例子中，cte_name 就是 CTE 的名称。 AS 后面括号里的 SELECT 语句定义了 CTE 的内容。 之后的 SELECT 语句就可以像访问普通表一样访问 cte_name。

CTE 的优点

• 提高可读性: CTE 可以将复杂的查询分解成更小的、更易于理解的逻辑单元。
• 代码重用: 可以在同一个查询中多次引用同一个 CTE，避免重复编写相同的子查询。
• 递归查询: CTE 支持递归查询，可以处理层级结构的数据。

CTE 的物化：临时表创建机制

理解 CTE 的物化行为是优化查询性能的关键。 所谓物化，是指将 CTE 的结果集存储到一个临时表中。MySQL 优化器会根据查询的复杂度和 CTE 的使用方式来决定是否物化 CTE。

物化的发生时机

MySQL 优化器在以下情况下可能会物化 CTE：

1. CTE 被多次引用： 如果一个 CTE 在查询中被多次引用，物化它可以避免多次执行相同的子查询，从而提高性能。
2. CTE 包含复杂的计算： 如果 CTE 包含复杂的聚合函数、窗口函数或其他计算，物化它可以减少计算的次数。
3. 优化器认为物化更有效： 优化器会根据代价模型来判断是否物化 CTE。如果优化器认为物化 CTE 的代价低于不物化的代价，它就会选择物化。

物化和非物化的区别

• 物化： 将 CTE 的结果集存储到临时表中。后续对 CTE 的引用直接从临时表中读取数据。
• 非物化（内联）： 将 CTE 的定义直接嵌入到查询中，每次引用 CTE 都会重新执行 CTE 的定义。

如何判断 CTE 是否被物化

虽然 MySQL 并没有提供直接的命令来查看 CTE 是否被物化，但我们可以通过 EXPLAIN 命令来间接判断。

• EXPLAIN 输出中出现 MATERIALIZE 或 DERIVED： 如果 EXPLAIN 输出中出现了 MATERIALIZE，则表示 CTE 被物化。 如果出现了 DERIVED，则表示 CTE 可能被物化为一个派生表（derived table）。
• 观察执行时间： 可以通过比较物化和不物化 CTE 的执行时间来判断。 强制不物化 CTE 的方法将在后面介绍。

强制物化和不物化 CTE (MySQL 8.0.19+)

从 MySQL 8.0.19 开始，MySQL 提供了 MATERIALIZED 和 INLINE 优化器提示，允许我们显式地控制 CTE 的物化行为。

• MATERIALIZED: 强制物化 CTE。

  WITH
      /*+ MATERIALIZE */
      cte_name AS (
          SELECT column1, column2
          FROM table1
          WHERE condition
      )
  SELECT * FROM cte_name;

• INLINE: 强制不物化 CTE，将 CTE 的定义内联到查询中。

  WITH
      /*+ INLINE */
      cte_name AS (
          SELECT column1, column2
          FROM table1
          WHERE condition
      )
  SELECT * FROM cte_name;

使用这些提示，我们可以更精确地控制 CTE 的执行方式，从而优化查询性能。 需要注意的是，优化器提示只是给优化器提供建议，优化器不一定会完全按照提示执行。

CTE 的应用场景

1. 简化复杂查询

假设我们有一个 orders 表，包含订单信息，以及一个 customers 表，包含客户信息。 我们想要查询每个客户的订单总金额以及订单数量。

-- 不使用 CTE
SELECT
    c.customer_id,
    c.customer_name,
    SUM(o.order_total) AS total_order_amount,
    COUNT(o.order_id) AS total_orders
FROM
    customers c
JOIN
    orders o ON c.customer_id = o.customer_id
GROUP BY
    c.customer_id, c.customer_name;

-- 使用 CTE
WITH
    CustomerOrders AS (
        SELECT
            customer_id,
            SUM(order_total) AS total_order_amount,
            COUNT(order_id) AS total_orders
        FROM
            orders
        GROUP BY
            customer_id
    )
SELECT
    c.customer_id,
    c.customer_name,
    co.total_order_amount,
    co.total_orders
FROM
    customers c
JOIN
    CustomerOrders co ON c.customer_id = co.customer_id;

在这个例子中，使用 CTE 将计算每个客户订单总金额和订单数量的逻辑提取出来，使主查询更加清晰易懂。

2. 递归查询

CTE 最强大的功能之一是支持递归查询，可以处理层级结构的数据。 假设我们有一个 employees 表，包含员工信息和员工的管理者 ID。

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, 'Diana Miller', 2),
(6, 'Eva Davis', 3);

我们可以使用递归 CTE 查询某个员工的所有下属。

WITH RECURSIVE
    EmployeeHierarchy AS (
        SELECT
            employee_id,
            employee_name,
            manager_id,
            1 AS level
        FROM
            employees
        WHERE
            employee_id = 1  -- 初始员工 ID
        UNION ALL
        SELECT
            e.employee_id,
            e.employee_name,
            e.manager_id,
            eh.level + 1 AS level
        FROM
            employees e
        JOIN
            EmployeeHierarchy eh ON e.manager_id = eh.employee_id
    )
SELECT * FROM EmployeeHierarchy;

在这个例子中，EmployeeHierarchy 是一个递归 CTE。 UNION ALL 语句将两个 SELECT 语句的结果合并。 第一个 SELECT 语句选择初始员工的信息，作为递归的起点。 第二个 SELECT 语句选择所有管理者的 ID 等于当前层级员工 ID 的员工，并将层级加 1。

3. 在 INSERT, UPDATE, DELETE 语句中使用 CTE

CTE 不仅可以在 SELECT 语句中使用，还可以在 INSERT、UPDATE 和 DELETE 语句中使用，以简化复杂的数据操作。

例如，假设我们想要将 orders 表中订单金额小于 100 的订单的客户 ID 插入到 low_value_customers 表中。

-- 创建 low_value_customers 表
CREATE TABLE low_value_customers (
    customer_id INT PRIMARY KEY
);

-- 使用 CTE 进行插入
WITH
    LowValueOrders AS (
        SELECT customer_id
        FROM orders
        WHERE order_total < 100
    )
INSERT INTO low_value_customers (customer_id)
SELECT customer_id
FROM LowValueOrders
ON DUPLICATE KEY UPDATE customer_id = VALUES(customer_id); --避免重复插入

在这个例子中，我们使用 CTE LowValueOrders 选择了订单金额小于 100 的订单的客户 ID，然后将这些客户 ID 插入到 low_value_customers 表中。 ON DUPLICATE KEY UPDATE 语句用于避免重复插入。

性能优化：物化与否的选择

选择是否物化 CTE 取决于具体的查询场景。

何时应该考虑物化 CTE

• CTE 被多次引用： 如果 CTE 被多次引用，物化它可以避免多次执行相同的子查询。
• CTE 包含复杂的计算： 如果 CTE 包含复杂的聚合函数、窗口函数或其他计算，物化它可以减少计算的次数。
• 数据量较大： 如果 CTE 的结果集比较大，物化它可以避免在后续查询中重复读取大量数据。

何时应该避免物化 CTE

• CTE 只被引用一次： 如果 CTE 只被引用一次，并且 CTE 的定义比较简单，不物化 CTE 通常可以获得更好的性能，因为它可以避免创建和维护临时表的开销。
• 数据量较小： 如果 CTE 的结果集比较小，不物化 CTE 可以避免创建临时表的开销。

使用 EXPLAIN 分析查询计划

在决定是否物化 CTE 之前，最好使用 EXPLAIN 命令分析查询计划，查看优化器的选择。 如果优化器选择了不合适的物化策略，可以使用 MATERIALIZED 或 INLINE 提示来强制优化器选择合适的策略。

测试不同策略的性能

在实际应用中，最好的方法是测试不同的物化策略的性能，选择性能最佳的策略。 可以使用 BENCHMARK() 函数来测试查询的执行时间。

CTE 的局限性

• 生命周期有限： CTE 只存在于当前语句的执行过程中。
• 不支持索引： CTE 的结果集存储在临时表中，临时表不支持索引。
• 不能被缓存： CTE 的结果集不能被缓存。

实践案例：复杂报表查询

假设我们有一个电商平台，需要生成一个复杂的报表，统计每个月的销售额、订单数量、客户数量以及新客户数量。

我们有三个表：orders、customers 和 products。

• orders 表包含订单信息，包括订单 ID、客户 ID、订单金额和下单时间。
• customers 表包含客户信息，包括客户 ID 和注册时间。
• products 表包含产品信息，包括产品 ID 和产品价格。

我们可以使用 CTE 来简化这个复杂的报表查询。

WITH
    MonthlyOrders AS (
        SELECT
            DATE_FORMAT(order_date, '%Y-%m') AS order_month,
            COUNT(order_id) AS total_orders,
            SUM(order_total) AS total_sales,
            COUNT(DISTINCT customer_id) AS total_customers
        FROM
            orders
        GROUP BY
            order_month
    ),
    MonthlyNewCustomers AS (
        SELECT
            DATE_FORMAT(register_date, '%Y-%m') AS register_month,
            COUNT(customer_id) AS new_customers
        FROM
            customers
        GROUP BY
            register_month
    )
SELECT
    mo.order_month,
    mo.total_orders,
    mo.total_sales,
    mo.total_customers,
    COALESCE(mnc.new_customers, 0) AS new_customers
FROM
    MonthlyOrders mo
LEFT JOIN
    MonthlyNewCustomers mnc ON mo.order_month = mnc.register_month
ORDER BY
    mo.order_month;

在这个例子中，我们使用了两个 CTE：MonthlyOrders 和 MonthlyNewCustomers。 MonthlyOrders CTE 统计每个月的订单数量、销售额和客户数量。 MonthlyNewCustomers CTE 统计每个月的新客户数量。 然后，我们将这两个 CTE 的结果连接起来，生成最终的报表。

CTE 的物化行为需要仔细评估

通过以上的讲解，我们了解了 MySQL 中 CTE 的基本概念、优点、应用场景、物化行为以及性能优化策略。 CTE 是一种强大的 SQL 工具，可以提高代码的可读性和可维护性。 理解 CTE 的物化行为，可以帮助我们优化查询性能，充分发挥 CTE 的潜力。 在实际应用中，需要根据具体的查询场景，选择合适的物化策略，并使用 EXPLAIN 命令分析查询计划，以获得最佳的性能。

表格总结

特性	描述
定义	临时命名的结果集，存在于单个查询的执行范围内。
优点	提高可读性，代码重用，支持递归查询。
物化	将 CTE 的结果集存储到临时表中。
非物化	将 CTE 的定义直接嵌入到查询中。
物化时机	CTE 被多次引用，CTE 包含复杂的计算，优化器认为物化更有效。
强制物化	/*+ MATERIALIZE */
强制不物化	/*+ INLINE */
局限性	生命周期有限，不支持索引，不能被缓存。
应用场景	简化复杂查询，递归查询，在 INSERT, UPDATE, DELETE 语句中使用。

选择合适的策略优化查询

总的来说，使用 CTE 可以简化复杂的 SQL 查询，提高代码可读性。 但是，理解 CTE 的物化行为对于优化查询性能至关重要。 通过使用 EXPLAIN 命令分析查询计划，并根据具体的查询场景选择合适的物化策略，我们可以充分利用 CTE 的优势，提高数据库应用的性能。 需要注意的是，强制物化或者不物化，需要仔细评估，选择合适的策略，避免出现性能下降。