SQL查询的底层运行原理分析

SQL 语言无处不在。SQL 已经不仅仅是技术人员的专属技能了，似乎人人都会写SQL，就如同人人都是产品经理一样。如果你是做后台开发的，那么CRUD就是家常便饭。如果你是做数仓开发的，那么写SQL可能占据了你的大部分工作时间。我们在理解 SELECT 语法的时候，还需要了解 SELECT 执行时的底层原理。只有这样，才能让我们对 SQL 有更深刻的认识。本文分享将逐步分解SQL的执行过程，希望对你有所帮助。

数据准备

本文旨在说明SQL查询的执行过程，不会涉及太复杂的SQL操作，主要涉及两张表：citizen和city,具体数据如下所示：

CREATE TABLE citizen ( 
    name CHAR ( 20 ), 
    city_id INT ( 10 ) 
);


CREATE TABLE city (
    city_id INT ( 10 ), 
    city_name CHAR ( 20 ) 
);

INSERT INTO city
VALUES
    ( 1, "上海" ),
    ( 2, "北京" ),
    ( 3, "杭州" );
    
    
INSERT INTO citizen
VALUES
("tom",3),
("jack",2),
("robin",1),
("jasper",3),
("kevin",1),
("rachel",2),
("trump",3),
("lilei",1),
("hanmeiei",1);

查询执行顺序

本文所涉及的查询语句如下，主要是citizen表与city表进行join，然后筛掉city_name != "上海"的数据，接着按照city_name进行分组，统计每个城市总人数大于2的城市，具体如下：

查询语句

SELECT 
    city.city_name AS "City",
    COUNT(*) AS "citizen_cnt"
FROM citizen
  JOIN city ON citizen.city_id = city.city_id 
WHERE city.city_name != '上海'
GROUP BY city.city_name
HAVING COUNT(*) >= 2
ORDER BY city.city_name ASC
LIMIT 2

执行步骤

上面SQL查询语句的书写书序是：

SELECT ... FROM ... WHERE ... GROUP BY ... HAVING ... ORDER BY ...

但是执行顺序并不是这样，具体的执行顺序如下步骤所示：

• 1.获取数据 (From, Join)
• 2.过滤数据 (Where)
• 3.分组 (Group by)
• 4.分组过滤 (Having)
• 5.返回查询字段 (Select)
• 6.排序与分页 (Order by & Limit / Offset)

尖叫提示：本文旨在说明通用的SQL执行底层原理，对于其优化技术不做考虑，比如谓词下推、投影下推等等。

执行的底层原理

其实上面所说的SQL执行顺序就是所谓的底层原理，当我们在执行SELECT语句时，每个步骤都会产生一张虚拟表(virtual table），在执行下一步骤时，会将该虚拟表作为输入。指的注意的是，这些过程是对用户透明的。

你可以注意到，SELECT 是先从FROM 这一步开始执行的。在这个阶段，如果是多张表进行JOIN，还会经历下面的几个步骤：

获取数据 (From, Join)

• 首先会通过 CROSS JOIN 求笛卡尔积，相当于得到虚拟表 vt1-1；

• 接着通过ON 条件进行筛选，虚拟表 vt1-1 作为输入，输出虚拟表 vt1-2；

• 添加外部行。我们使用的是左连接、右链接或者全连接，就会涉及到外部行，也就是在虚拟表 vt1-2 的基础上增加外部行，得到虚拟表 vt1-3

过滤数据 (Where)

经过上面的步骤，我们得到了一张最终的虚拟表vt1，在此表之上作用where过滤，通过筛选条件过滤掉不满足条件的数据，从而得到虚拟表vt2。

分组 (Group by)

经过where过滤操作之后，得到vt2。接下来进行GROUP BY操作，得到中间的虚拟表vt3。

分组过滤 (Having)

在虚拟表vt3的基础之上，使用having过滤掉不满足条件的聚合数据，得到vt4。

返回查询字段 (Select)

当我们完成了条件筛选部分之后，就可以筛选表中提取的字段，也就是进入到 SELECT 和 DISTINCT 阶段。首先在 SELECT 阶段会提取目标字段，然后在 DISTINCT 阶段过滤掉重复的行，分别得到中间的虚拟表 vt5-1 和 vt5-2。

排序与分页 (Order by & Limit / Offset)

当我们提取了想要的字段数据之后，就可以按照指定的字段进行排序，也就是 ORDER BY 阶段，得到虚拟表 vt6。最后在 vt6 的基础上，取出指定行的记录，也就是 LIMIT 阶段，得到最终的结果，对应的是虚拟表 vt7

详细执行步骤分析

Step 1:获取数据 (From, Join)

FROM citizen
JOIN city 

该过程的第一步是执行From子句中的语句，然后执行Join子句。这些操作的结果是得到两个表的笛卡尔积。

name	city_id	city_id	city_name
tom	3	1	上海
tom	3	2	北京
tom	3	3	杭州
jack	2	1	上海
jack	2	2	北京
jack	2	3	杭州
robin	1	1	上海
robin	1	2	北京
robin	1	3	杭州
jasper	3	1	上海
jasper	3	2	北京
jasper	3	3	杭州
kevin	1	1	上海
kevin	1	2	北京
kevin	1	3	杭州
rachel	2	1	上海
rachel	2	2	北京
rachel	2	3	杭州
trump	3	1	上海
trump	3	2	北京
trump	3	3	杭州
lilei	1	1	上海
lilei	1	2	北京
lilei	1	3	杭州
hanmeiei	1	1	上海
hanmeiei	1	2	北京
hanmeiei	1	3	杭州

在FROM和JOIN执行结束之后，会按照JOIN的ON条件，筛选所需要的行

ON citizen.city_id = city.city_id

name	city_id	city_id	city_name
tom	3	3	杭州
jack	2	2	北京
robin	1	1	上海
jasper	3	3	杭州
kevin	1	1	上海
rachel	2	2	北京
trump	3	3	杭州
lilei	1	1	上海
hanmeiei	1	1	上海

Step 2:过滤数据 (Where)

获得满足条件的行后，将传递给Where子句。这将使用条件表达式评估每一行。如果行的计算结果不为true，则会将其从集合中删除。

WHERE city.city_name != '上海'

name	city_id	city_id	city_name
tom	3	3	杭州
jack	2	2	北京
jasper	3	3	杭州
rachel	2	2	北京
trump	3	3	杭州

Step 3:分组 (Group by)

下一步是执行Group by子句，它将具有相同值的行分为一组。此后，将按组对所有Select表达式进行评估，而不是按行进行评估。

GROUP BY city.city_name

GROUP_CONCAT(citizen.name)	city_id	city_name
jack,rachel	2	北京
tom,jasper,trump	3	杭州

Step 4:分组过滤 (Having)

对分组后的数据使用Having子句所包含的谓词进行过滤

HAVING COUNT(*) >= 2

Step 5:返回查询字段 (Select)

在此步骤中，处理器将评估查询结果将要打印的内容，以及是否有一些函数要对数据运行，例如Distinct，Max，Sqrt，Date，Lower等等。本案例中，SELECT子句只会打印城市名称和其对应分组的count(*)值，并使用标识符“ City”作为city_name列的别名。

SELECT 
    city.city_name AS "City",
    COUNT(*) AS "citizen_cnt"

city	citizen_cnt
北京	2
杭州	3

Step 6:排序与分页 (Order by & Limit / Offset)

查询的最后处理步骤涉及结果集的排序与输出大小。在我们的示例中，按照字母顺序升序排列，并输出两条数据结果。

ORDER BY city.city_name ASC
LIMIT 2

city	citizen_cnt
北京	2
杭州	3

总结

本文主要剖析了SQL语句的执行顺序和底层原理，基本的SQL查询会分为六大步骤。本文结合具体事例，给出了每一步骤的详细结果，这样会对其执行的底层原理有更加深刻的认识。

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