MySQL高级特性之：`MySQL`的`Common Table Expressions`（`CTE`）：其在复杂查询中的可读性与性能。

好的，下面我们开始本次关于MySQL的Common Table Expressions (CTE)的讲座。

MySQL Common Table Expressions (CTE)详解：提升复杂查询的可读性与性能

大家好！今天我们来深入探讨MySQL中一个非常强大的特性——Common Table Expressions，也就是我们常说的CTE。CTE能够显著提升复杂查询的可读性，并且在某些情况下，还能优化查询性能。让我们一起看看CTE是什么，如何使用，以及在实际应用中的一些技巧和注意事项。

什么是Common Table Expressions (CTE)?

Common Table Expressions，简称CTE，中文翻译为“公共表表达式”，是一种临时命名的结果集，它只在单个查询语句的执行范围内有效。你可以把CTE想象成一个临时的视图，但它不需要像视图那样永久地存储在数据库中。CTE的主要作用是分解复杂的查询逻辑，使其更易于理解和维护。

CTE的语法

CTE的语法结构如下：

WITH
  cte_name1 AS (
    SELECT column1, column2
    FROM table1
    WHERE condition1
  ),
  cte_name2 AS (
    SELECT column3, column4
    FROM table2
    WHERE condition2
  )
SELECT column1, column3
FROM cte_name1
JOIN cte_name2 ON cte_name1.column1 = cte_name2.column3
WHERE condition3;

• WITH关键字： 标志着CTE的开始。
• cte_name1, cte_name2： CTE的名称，在查询中可以像表一样引用。
• AS (SELECT ...)： 定义CTE的查询语句，该查询的结果集会被赋予指定的CTE名称。
• SELECT ... FROM cte_name1 ...： 在主查询中引用CTE，就如同引用一个表一样。
• 可以定义多个CTE，用逗号分隔。

CTE的类型

CTE主要分为两种类型：

• Non-recursive CTE (非递归CTE): 这种CTE是最常见的，它只包含一个简单的查询语句，用于定义一个临时的结果集。
• Recursive CTE (递归CTE): 这种CTE可以引用自身，通常用于处理具有层级关系的数据，比如组织结构、树形结构等。

Non-recursive CTE的用法和实例

非递归CTE的用法相对简单，主要用于分解复杂的查询逻辑。

示例1：简化复杂的JOIN操作

假设我们有orders表和customers表，我们需要查询所有订单总额超过1000元的客户信息。

-- 不使用CTE的复杂查询
SELECT c.customer_id, c.customer_name, SUM(o.order_total) AS total_order_value
FROM customers c
JOIN orders o ON c.customer_id = o.customer_id
GROUP BY c.customer_id, c.customer_name
HAVING SUM(o.order_total) > 1000;

-- 使用CTE简化查询
WITH high_value_customers AS (
  SELECT customer_id, SUM(order_total) AS total_order_value
  FROM orders
  GROUP BY customer_id
  HAVING SUM(order_total) > 1000
)
SELECT c.customer_id, c.customer_name, hvc.total_order_value
FROM customers c
JOIN high_value_customers hvc ON c.customer_id = hvc.customer_id;

在这个例子中，我们将计算订单总额超过1000元的客户的逻辑提取到了一个名为high_value_customers的CTE中。这样，主查询就变得更加简洁易懂，更容易维护。

示例2：避免重复的子查询

假设我们需要查询每个部门的平均工资，以及高于公司平均工资的员工数量。

-- 不使用CTE的复杂查询
SELECT
  d.department_name,
  (SELECT AVG(salary) FROM employees) AS company_avg_salary,
  COUNT(e.employee_id) AS employees_above_avg
FROM departments d
JOIN employees e ON d.department_id = e.department_id
WHERE e.salary > (SELECT AVG(salary) FROM employees)
GROUP BY d.department_name;

-- 使用CTE避免重复子查询
WITH company_avg AS (
  SELECT AVG(salary) AS avg_salary
  FROM employees
)
SELECT
  d.department_name,
  ca.avg_salary AS company_avg_salary,
  COUNT(e.employee_id) AS employees_above_avg
FROM departments d
JOIN employees e ON d.department_id = e.department_id
JOIN company_avg ca ON 1=1 -- Cross Join to include the average salary
WHERE e.salary > ca.avg_salary
GROUP BY d.department_name, ca.avg_salary;

在这个例子中，我们使用CTE company_avg来计算公司的平均工资，避免了在主查询中重复执行子查询。这不仅提高了查询的可读性，也可能提升查询的性能。

Recursive CTE的用法和实例

递归CTE用于处理层级数据，例如组织结构、树形结构等。

示例1：查询组织结构中的所有下属

假设我们有一个employees表，其中包含employee_id（员工ID）、employee_name（员工姓名）和manager_id（上级ID）字段。我们需要查询指定员工的所有下属。

WITH RECURSIVE subordinates AS (
  SELECT employee_id, employee_name, manager_id, 0 AS level
  FROM employees
  WHERE employee_id = 1 -- 指定的员工ID

  UNION ALL

  SELECT e.employee_id, e.employee_name, e.manager_id, s.level + 1
  FROM employees e
  JOIN subordinates s ON e.manager_id = s.employee_id
)
SELECT employee_id, employee_name, level
FROM subordinates;

• WITH RECURSIVE关键字： 标志着递归CTE的开始。
• 第一个SELECT语句 (Anchor Member)： 定义递归的起始条件，选择根节点。
• UNION ALL： 将起始条件的结果集和递归查询的结果集合并。
• 第二个SELECT语句 (Recursive Member)： 定义递归的逻辑，引用自身。注意，递归成员必须引用CTE名称。
• level列： 用于记录层级深度。

示例2：查询树形结构中的所有节点

假设我们有一个categories表，其中包含category_id（分类ID）、category_name（分类名称）和parent_id（父分类ID）字段。我们需要查询指定分类的所有子分类。

WITH RECURSIVE subcategories AS (
  SELECT category_id, category_name, parent_id, 0 AS level
  FROM categories
  WHERE category_id = 1 -- 指定的分类ID

  UNION ALL

  SELECT c.category_id, c.category_name, c.parent_id, s.level + 1
  FROM categories c
  JOIN subcategories s ON c.parent_id = s.category_id
)
SELECT category_id, category_name, level
FROM subcategories;

CTE的性能考量

虽然CTE可以提高查询的可读性，但在性能方面，需要注意以下几点：

• 物化 (Materialization): 在某些情况下，MySQL会将CTE物化，也就是将CTE的结果集存储在临时表中。这可能会导致额外的I/O开销，降低查询性能。
• 优化器 (Optimizer): MySQL的优化器可能会对CTE进行优化，例如将CTE的结果集内联到主查询中，或者对CTE进行索引优化。但是，优化器的行为取决于具体的查询语句和数据库配置。
• 索引 (Index): 在CTE中使用的表，需要根据查询条件创建合适的索引，以提高查询性能。
• 数据量 (Data Volume): 对于数据量非常大的表，使用CTE可能会导致性能问题。在这种情况下，可以考虑使用临时表或视图来替代CTE。

CTE的优势

• 提高可读性 (Readability): CTE可以将复杂的查询逻辑分解成更小的、更易于理解的模块，从而提高查询的可读性。
• 简化维护 (Maintainability): 由于CTE将查询逻辑分解成模块化的部分，因此更容易对查询进行修改和维护。
• 避免重复 (Avoid Redundancy): CTE可以避免在查询中重复编写相同的子查询，从而减少代码量。
• 增强代码组织性 (Code Organization): CTE有助于更好地组织代码，使查询结构更清晰。

CTE的局限性

• 作用域限制 (Scope Limitation): CTE的作用域仅限于单个查询语句。
• 物化开销 (Materialization Overhead): 在某些情况下，CTE可能会被物化，导致额外的I/O开销。
• 复杂性增加 (Complexity Increase): 过度使用CTE可能会使查询变得更加复杂，降低可读性。

CTE的使用场景

• 复杂的JOIN操作 (Complex JOIN Operations): 当查询涉及多个表的JOIN操作时，可以使用CTE来简化查询逻辑。
• 层级数据查询 (Hierarchical Data Queries): 可以使用递归CTE来查询具有层级关系的数据，例如组织结构、树形结构等。
• 数据转换和清洗 (Data Transformation and Cleansing): 可以使用CTE来进行数据转换和清洗，例如计算累计值、排名等。
• 报表生成 (Report Generation): 可以使用CTE来生成复杂的报表，例如计算销售额、利润等。
• 需要复用的子查询 (Reusable Subqueries): 避免重复编写相同的子查询。

CTE的最佳实践

• 合理命名 (Meaningful Names): 为CTE选择具有描述性的名称，以便于理解其作用。
• 避免过度使用 (Avoid Overuse): 不要过度使用CTE，以免使查询变得过于复杂。
• 考虑性能 (Consider Performance): 在性能敏感的场景中，需要仔细评估CTE的性能影响。
• 使用索引 (Use Indexes): 确保在CTE中使用的表具有合适的索引。
• 测试和优化 (Test and Optimize): 对使用CTE的查询进行测试和优化，以确保其性能符合要求。

实际案例分析

假设我们有一个电商网站，有products（商品）、orders（订单）和order_items（订单项）三个表。我们需要查询每个商品的总销售额，以及销售额最高的三个商品的信息。

WITH product_sales AS (
  SELECT
    p.product_id,
    p.product_name,
    SUM(oi.quantity * p.price) AS total_sales
  FROM products p
  JOIN order_items oi ON p.product_id = oi.product_id
  GROUP BY p.product_id, p.product_name
),
top_products AS (
  SELECT
    product_id,
    product_name,
    total_sales,
    RANK() OVER (ORDER BY total_sales DESC) AS sales_rank
  FROM product_sales
)
SELECT
  product_id,
  product_name,
  total_sales
FROM top_products
WHERE sales_rank <= 3;

在这个例子中，我们使用了两个CTE：product_sales用于计算每个商品的总销售额，top_products用于计算每个商品的销售排名。通过使用CTE，我们将复杂的查询逻辑分解成了更小的、更易于理解的模块，提高了查询的可读性和可维护性。

注意事项

• CTE不能被索引。
• CTE不能被持久化，它只在当前查询语句中有效。
• 在MySQL 8.0之前的版本中，递归CTE需要启用特定的配置。
• 某些数据库系统对递归CTE的深度有限制。

通过CTE提升查询效率

CTE本身不一定直接提升查询效率，但良好的代码结构和可读性有助于优化器更好地理解查询意图，从而可能间接提升效率。此外，通过避免重复计算，CTE在某些情况下也能减少资源消耗。

总结：掌握CTE，优化复杂查询

通过本次讲座，我们学习了MySQL中Common Table Expressions (CTE) 的概念、语法、类型和用法。CTE可以显著提升复杂查询的可读性和可维护性，并且在某些情况下，还能优化查询性能。掌握CTE是成为一名优秀的SQL开发者的必备技能。熟练运用CTE，可以编写出更清晰、更高效的SQL查询，从而提高开发效率和系统性能。