`CTE`（`Common Table Expressions`）：`递归`查询`和`非`递归`查询`的`底层`实现`。`

CTE (Common Table Expressions): 递归查询和非递归查询的底层实现

大家好！今天我们来深入探讨一个在SQL中非常强大的特性：Common Table Expressions，简称CTE。我们将重点关注CTE在递归查询和非递归查询中的底层实现机制，通过具体的例子和代码，帮助大家理解其工作原理和优势。

1. CTE概述

CTE本质上是一个命名的临时结果集，它在单个查询语句的执行范围内存在。可以把它看作是一个临时的视图，但它比视图更加灵活，因为它只在当前查询语句中有效。CTE使用WITH关键字定义，可以包含一个或多个查询，每个查询都产生一个结果集，可以被后续的查询引用。

CTE的语法结构：

WITH
  cte_name1 AS (
    -- CTE query 1
  ),
  cte_name2 AS (
    -- CTE query 2
  ),
  ...
SELECT
  -- Main query using CTEs
FROM
  cte_name1, cte_name2, ...
WHERE
  -- Conditions

CTE的优点：

• 提高代码可读性： 将复杂的查询分解为更小的逻辑单元，使查询更易于理解和维护。
• 简化复杂查询： 避免重复编写相同的子查询，提高代码的复用性。
• 实现递归查询： 用于处理层次结构数据，例如组织结构、目录结构等。
• 逻辑结构清晰： 使复杂的SQL语句更易于调试和优化。

2. 非递归CTE的底层实现

非递归CTE是最简单的CTE形式，它仅仅是一个命名的子查询。数据库系统通常会将非递归CTE内联到主查询中，或者将其物化为一个临时表。

2.1 内联 (Inlining)

内联是指将CTE的查询语句直接替换到主查询中引用CTE的地方。这种方式避免了创建临时表的开销，但可能会导致查询计划变得复杂，尤其是在CTE被多次引用的情况下。

示例：

WITH
  ProductCategory AS (
    SELECT
      category_id,
      category_name
    FROM
      categories
    WHERE
      category_name LIKE 'Electronics%'
  )
SELECT
  p.product_name,
  pc.category_name
FROM
  products p
JOIN
  ProductCategory pc ON p.category_id = pc.category_id;

在这个例子中，ProductCategory CTE的查询语句可能会被内联到主查询中，导致等价的查询语句如下：

SELECT
  p.product_name,
  (SELECT category_name FROM categories WHERE category_id = p.category_id AND category_name LIKE 'Electronics%') as category_name
FROM
  products p
WHERE EXISTS (SELECT 1 FROM categories WHERE category_id = p.category_id AND category_name LIKE 'Electronics%');

（注意：实际数据库优化器可能会生成更高效的查询计划，这只是一个概念上的等价。）

2.2 物化 (Materialization)

物化是指将CTE的结果集存储到一个临时表中，然后在主查询中从该临时表读取数据。这种方式可以避免重复执行CTE的查询语句，尤其是在CTE被多次引用的情况下。

示例：

以上面的 ProductCategory CTE 为例，数据库可能会创建一个名为 #ProductCategory (或其他数据库引擎使用的临时表命名方式) 的临时表，并将 categories 表中满足 category_name LIKE 'Electronics%' 条件的数据插入到该临时表中。 然后，主查询会从这个临时表中读取数据。

底层实现细节（以PostgreSQL为例）：

在PostgreSQL中，优化器会根据查询的复杂度和CTE的使用情况，自动选择内联或物化。可以使用EXPLAIN命令查看查询计划，了解数据库如何处理CTE。

EXPLAIN
WITH
  ProductCategory AS (
    SELECT
      category_id,
      category_name
    FROM
      categories
    WHERE
      category_name LIKE 'Electronics%'
  )
SELECT
  p.product_name,
  pc.category_name
FROM
  products p
JOIN
  ProductCategory pc ON p.category_id = pc.category_id;

EXPLAIN 输出会显示查询计划，其中可能包含 "Materialize" 节点，表示CTE被物化为一个临时表。

何时选择内联或物化？

特性	内联 (Inlining)	物化 (Materialization)
临时表创建	否	是
CTE执行次数	每次引用CTE时执行	只执行一次
查询计划复杂度	可能增加	降低
适用场景	CTE只被引用一次，且查询语句简单	CTE被多次引用，或者查询语句复杂，代价高
资源消耗	可能重复计算，CPU消耗高	需要额外的存储空间，I/O消耗可能增加

3. 递归CTE的底层实现

递归CTE用于处理具有层次结构的数据。它由两部分组成：

• 锚定成员 (Anchor Member)： 定义递归的起始点，是一个非递归的查询。
• 递归成员 (Recursive Member)： 引用CTE自身，定义递归的规则，每次迭代都会产生新的结果集。

递归CTE的语法结构：

WITH RECURSIVE
  cte_name AS (
    -- Anchor member (non-recursive query)
    SELECT ...
    UNION ALL
    -- Recursive member (references cte_name)
    SELECT ... FROM cte_name WHERE ...
  )
SELECT
  -- Main query using the recursive CTE
FROM
  cte_name;

3.1 递归CTE的执行流程

1. 执行锚定成员： 首先执行锚定成员的查询语句，产生初始结果集。
2. 执行递归成员： 然后执行递归成员的查询语句，并将前一次迭代的结果集作为输入。
3. 合并结果集： 将当前迭代的结果集与之前所有迭代的结果集合并。
4. 循环迭代： 重复执行步骤2和步骤3，直到递归成员的查询语句不再产生新的结果集，或者达到递归的最大深度限制。
5. 返回最终结果： 最后，返回合并后的完整结果集。

示例： 查找员工及其所有下属

假设我们有一个员工表 employees，包含 employee_id、employee_name 和 manager_id 三个字段。我们要查找某个员工（例如，employee_id = 1）的所有下属。

WITH RECURSIVE
  EmployeeHierarchy AS (
    -- Anchor member: 查找employee_id = 1的员工
    SELECT
      employee_id,
      employee_name,
      manager_id,
      1 AS level
    FROM
      employees
    WHERE
      employee_id = 1
    UNION ALL
    -- Recursive member: 查找所有直接下属
    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
  employee_id,
  employee_name,
  level
FROM
  EmployeeHierarchy;

3.2 递归CTE的底层实现细节

数据库系统通常使用迭代算法来实现递归CTE。每次迭代都会产生一个新的结果集，并将其与之前的结果集合并。为了避免无限循环，数据库系统会维护一个工作表 (Working Table) 和一个结果表 (Result Table)。

• 工作表 (Working Table)： 存储当前迭代的结果集。
• 结果表 (Result Table)： 存储之前所有迭代的结果集。

算法流程：

1. 初始化： 将锚定成员的结果集插入到工作表和结果表中。
2. 迭代：
   • 从工作表中读取数据，作为递归成员的输入。
   • 执行递归成员的查询语句，产生新的结果集。
   • 将新的结果集与结果表进行比较，如果存在新的记录，则将其插入到工作表和结果表中。
   • 如果工作表为空，则停止迭代。
3. 返回结果： 返回结果表中的数据。

为了更清晰地说明，我们逐步分析上面的员工层级查询示例的执行过程：

初始状态：

• 工作表 (Working Table): 包含 employee_id = 1 的员工信息。
• 结果表 (Result Table): 包含 employee_id = 1 的员工信息。

第一次迭代：

1. 递归成员从工作表中读取 employee_id = 1 的员工信息，并查找其直接下属。
2. 假设 employee_id = 1 的员工有两个直接下属，employee_id = 2 和 employee_id = 3。
3. 将 employee_id = 2 和 employee_id = 3 的员工信息插入到工作表和结果表中。

第二次迭代：

1. 递归成员从工作表中读取 employee_id = 2 和 employee_id = 3 的员工信息，并查找它们的直接下属。
2. 假设 employee_id = 2 有一个直接下属 employee_id = 4，employee_id = 3 没有下属。
3. 将 employee_id = 4 的员工信息插入到工作表和结果表中。

后续迭代：

继续迭代，直到工作表为空，或者达到递归的最大深度限制。

3.3 避免无限循环

递归CTE的一个重要问题是避免无限循环。如果递归成员的查询语句没有正确的终止条件，可能会导致无限迭代，最终耗尽系统资源。

为了避免无限循环，需要确保递归成员的查询语句包含一个明确的终止条件。在上面的例子中，终止条件是当递归成员找不到新的下属时，递归停止。

此外，大多数数据库系统都提供了递归深度的限制，以防止无限循环。例如，在SQL Server中，可以使用MAXRECURSION选项设置递归的最大深度。

OPTION (MAXRECURSION 100);

3.4 优化递归CTE

递归CTE的性能通常比非递归查询差，因为每次迭代都需要执行查询语句。为了提高递归CTE的性能，可以考虑以下几点：

• 减少每次迭代的数据量： 尽可能地缩小每次迭代的范围，避免处理不必要的数据。
• 使用索引： 在递归成员的连接条件上创建索引，可以加快查询速度。
• 物化中间结果： 如果递归成员的查询语句比较复杂，可以考虑将中间结果物化为一个临时表，以避免重复计算。
• 限制递归深度： 合理设置递归的最大深度，可以防止无限循环，并减少资源消耗。

案例：组织层级关系查询

假设一个公司有如下组织结构，存储在 organizations 表中：

org_id	org_name	parent_org_id
1	Top Level	NULL
2	Marketing	1
3	Sales	1
4	Digital Marketing	2
5	Content Marketing	2
6	Sales East	3
7	Sales West	3

要查询 org_id = 1 的所有下属组织，可以使用如下递归 CTE:

WITH RECURSIVE
    OrganizationHierarchy AS (
        -- Anchor Member
        SELECT org_id, org_name, parent_org_id, 1 as level
        FROM organizations
        WHERE org_id = 1

        UNION ALL

        -- Recursive Member
        SELECT o.org_id, o.org_name, o.parent_org_id, oh.level + 1
        FROM organizations o
        JOIN OrganizationHierarchy oh ON o.parent_org_id = oh.org_id
    )
SELECT org_id, org_name, level FROM OrganizationHierarchy;

这个查询会返回 org_id 为 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 的所有组织及其层级关系。

4. CTE的实际应用场景

CTE在实际应用中非常广泛，以下是一些常见的场景：

• 数据清洗和转换： 可以使用CTE将原始数据转换为更易于分析和使用的格式。
• 报表生成： 可以使用CTE计算各种指标，例如总销售额、平均订单金额等。
• 权限管理： 可以使用CTE查询用户拥有的权限，并根据权限过滤数据。
• 图数据处理： 可以使用递归CTE遍历图结构，例如社交网络、知识图谱等。
• 复杂业务逻辑： 可以把复杂的业务逻辑分解为多个 CTE, 使得程序可读性更好, 也更易于维护

5. CTE的局限性

虽然 CTE 功能强大，但也存在一些局限性：

• 作用域限制： CTE 的作用域仅限于定义它的查询语句。 不能在多个查询中共享 CTE。
• 性能问题： 复杂的 CTE，特别是递归 CTE，可能会导致性能问题。 优化 CTE 的性能至关重要。
• 某些数据库的限制： 某些数据库系统对 CTE 的支持程度有限。 例如，MySQL 8.0 之前不支持递归 CTE。

6. CTE 与视图、临时表 的区别

特性	CTE	视图 (View)	临时表 (Temporary Table)
持久性	只在当前查询中有效	永久存储，除非显式删除	在会话结束时自动删除
作用域	当前查询	数据库	当前会话
数据存储	逻辑上的临时结果集, 可能物化也可能不物化	逻辑上的视图，不存储实际数据	物理存储，实际数据存储在临时表中
性能	可能涉及重复计算，但避免了永久存储的开销	每次查询时都需要重新计算，但可以被优化器优化	需要额外的 I/O 开销，但避免了重复计算
用途	简化复杂查询，递归查询，提高代码可读性	简化复杂查询，提供数据访问的统一接口	存储中间结果，提高查询性能，数据转换

最后，总结一些要点

• CTE 是一种强大的 SQL 特性，可以用于简化复杂查询，提高代码可读性，实现递归查询。
• 非递归 CTE 可以被内联或物化，数据库系统会根据查询的复杂度和 CTE 的使用情况自动选择。
• 递归 CTE 用于处理具有层次结构的数据，需要注意避免无限循环，并优化性能。
• CTE 在数据清洗、报表生成、权限管理等领域都有广泛的应用。

掌握 CTE 的原理和使用方法，可以帮助我们编写更高效、更易于维护的 SQL 代码。 感谢大家的聆听！