Коррелированные подзапросы | База знаний по системному анализу

Коррелированный подзапрос — это SQL-запрос, который использует значения из внешнего запроса для своей работы. Он выполняется повторно для каждой строки, обрабатываемой внешним запросом. Эта особенность отличает коррелированные подзапросы от обычных подзапросов, которые выполняются однократно и затем используют свои результаты как фиксированный набор данных. В коррелированных подзапросах используются ссылки на столбцы внешнего запроса, что позволяет выполнять динамические вычисления и условия для каждой строки внешнего запроса.

Отличие коррелированных подзапросов от некоррелированных

Ключевое отличие коррелированных подзапросов от некоррелированных заключается в зависимости от данных внешнего запроса:

Коррелированный подзапрос зависит от данных внешнего запроса и не может быть выполнен самостоятельно без контекста внешнего запроса. Такой подзапрос читает значение из строки внешнего запроса и использует его для модификации своего выполнения, что делает его выполнение итеративным по отношению к каждой обрабатываемой строке внешнего запроса.
Некоррелированный подзапрос выполняется один раз независимо от внешнего запроса и его результаты используются как статические данные для сравнения или как часть более широкой операции в основном запросе. Некоррелированный подзапрос может быть выполнен отдельно от основного запроса, поскольку он не зависит от данных каждой конкретной строки основного запроса.

Коррелированные подзапросы обычно используются для выполнения сложных условий фильтрации, вычисления агрегированных данных по группам, которые не могут быть эффективно реализованы через стандартные операции соединения или группировки в SQL. Они могут значительно замедлить выполнение запроса из-за необходимости повторного выполнения подзапроса для каждой строки внешнего запроса, что требует оптимизации для повышения производительности.

Синтаксис коррелированных подзапросов

Коррелированный подзапрос обычно встраивается внутри основного запроса SQL и может появляться в различных частях SQL-оператора, таких как SELECT, WHERE, или FROM. Структура коррелированного подзапроса характеризуется использованием ссылок на столбцы внешнего запроса. Общий вид коррелированного подзапроса следующий:

SELECT column1, column2, ...
FROM table1
WHERE column1 = (
    SELECT column3
    FROM table2
    WHERE table2.column4 = table1.column1
);

В этом примере подзапрос внутри WHERE использует значение column1 из внешнего запроса table1 для выполнения своего условия в table2. Этот подзапрос выполняется отдельно для каждой строки, выбираемой из table1.

Использование внешних ссылок в коррелированных подзапросах

Коррелированные подзапросы используют так называемые внешние ссылки, которые связывают подзапрос с внешним запросом. Эти ссылки являются столбцами из таблицы внешнего запроса и используются в условиях или вычислениях подзапроса. Важно, что каждый раз при обработке строки из внешнего запроса, значение из этой строки используется для модификации или фильтрации данных в подзапросе.

Пример использования внешней ссылки:

SELECT employee_name, department_id, (
    SELECT COUNT(*)
    FROM project_assignments
    WHERE project_assignments.employee_id = employees.employee_id
) AS projects_count
FROM employees;

В этом примере для каждого сотрудника (employees) подсчитывается количество проектов, в которых он участвует, с использованием коррелированного подзапроса в столбце SELECT. Внешняя ссылка employees.employee_id используется в WHERE подзапроса для соответствия записей в таблице project_assignments.

Эффективность использования внешних ссылок требует точной организации индексов и планирования запросов, особенно при работе с большими объемами данных. Оптимизация может включать переформулирование запроса с использованием соединений или других техник SQL для снижения количества итераций подзапроса, что может значительно ускорить выполнение запроса.

Коррелированные подзапросы в SELECT

Коррелированные подзапросы в SELECT обычно используются для динамического вычисления значений на основе данных, связанных с каждой строкой основного запроса. Это позволяет добавлять к каждой строке выходных данных дополнительные атрибуты, вычисленные в результате выполнения подзапросов. Такие подзапросы особенно полезны при необходимости агрегирования данных из связанных таблиц без изменения основной структуры запроса.

Примером может служить задача добавления к информации о сотруднике количества проектов, в которых он участвует, или расчёта средней зарплаты по его отделу для сравнения с его зарплатой.

Примеры коррелированных подзапросов в SELECT

Пример 1: Вычисление количества проектов для каждого сотрудника

SELECT 
    employee_id,
    employee_name,
    (SELECT COUNT(*)
     FROM projects
     WHERE projects.employee_id = employees.employee_id) AS project_count
FROM employees;

В этом запросе подзапрос используется для подсчёта количества проектов, связанных с каждым сотрудником. Каждый раз подзапрос обращается к таблице projects, фильтруя проекты по employee_id.

Пример 2: Вычисление средней зарплаты по отделу для каждого сотрудника

SELECT 
    employee_id,
    employee_name,
    department_id,
    (SELECT AVG(salary)
     FROM employees as dept_employees
     WHERE dept_employees.department_id = employees.department_id) AS avg_department_salary
FROM employees;

Здесь подзапрос вычисляет среднюю зарплату в отделе каждого сотрудника. Подзапрос коррелирует с основным запросом через department_id, используя его для группировки сотрудников по отделам внутри подзапроса.

Эти примеры демонстрируют, как коррелированные подзапросы могут эффективно использоваться для добавления значимой информации к результатам основного запроса. Однако следует помнить, что чрезмерное использование коррелированных подзапросов может негативно сказаться на производительности, особенно при больших объёмах данных или сложных условиях фильтрации, что требует дополнительной оптимизации запросов.

Коррелированные подзапросы в WHERE

Использование коррелированных подзапросов для фильтрации данных: Коррелированные подзапросы в разделе WHERE используются для фильтрации строк основного запроса на основе условий, зависящих от данных в этих строках. Эти подзапросы позволяют выполнить более сложные проверки, которые не могли бы быть реализованы через обычные условия или соединения.

Операторы сравнения с коррелированными подзапросами:

=, <> (равно, не равно): Используются для сравнения значения столбца в каждой строке с результатом подзапроса.
IN, NOT IN: Проверяют, входит ли значение столбца в список, возвращаемый подзапросом, или нет.
EXISTS, NOT EXISTS: Эти операторы проверяют наличие или отсутствие строк, удовлетворяющих условию в подзапросе. EXISTS возвращает true, если подзапрос возвращает хотя бы одну строку, NOT EXISTS — если не возвращает ни одной.

Примеры коррелированных подзапросов в WHERE

Пример 1: Фильтрация сотрудников с зарплатой выше средней по отделу

SELECT 
    employee_id,
    employee_name,
    salary
FROM employees e
WHERE salary > (
    SELECT AVG(salary)
    FROM employees
    WHERE department_id = e.department_id
);

Здесь подзапрос вычисляет среднюю зарплату в отделе и основной запрос использует это значение для фильтрации сотрудников, чья зарплата выше средней.

Пример 2: Поиск сотрудников, не участвующих ни в одном проекте

SELECT 
    employee_id,
    employee_name
FROM employees e
WHERE NOT EXISTS (
    SELECT *
    FROM projects
    WHERE employee_id = e.employee_id
);

Этот запрос ищет сотрудников, для которых в таблице projects нет соответствующих записей, используя NOT EXISTS.

Пример 3: Выбор сотрудников, зарплата которых равна максимальной зарплате в их отделе

SELECT 
    employee_id,
    employee_name,
    salary
FROM employees e
WHERE salary = (
    SELECT MAX(salary)
    FROM employees
    WHERE department_id = e.department_id
);

В данном запросе для каждого сотрудника проверяется, равна ли его зарплата максимальной зарплате в отделе. Это типичный пример использования оператора =, где подзапрос коррелирует с основным запросом для проверки равенства.

Эти примеры иллюстрируют, как коррелированные подзапросы могут усилить возможности SQL в части условий фильтрации, позволяя проводить сложные проверки, недоступные при использовании стандартных операций соединения и группировки.

Альтернативы коррелированным подзапросам

Использование JOIN вместо коррелированных подзапросов: Один из эффективных способов оптимизации запросов, в которых использовались коррелированные подзапросы, — применение операций соединения (JOIN). JOIN позволяет объединять строки из двух или более таблиц на основе общего условия, что часто приводит к повышению производительности по сравнению с многократным выполнением подзапросов для каждой строки основной таблицы.

Пример переформулировки запроса с коррелированным подзапросом в запрос с JOIN:

Исходный запрос с коррелированным подзапросом:

SELECT 
    employee_name,
    department_id,
    (SELECT AVG(salary)
     FROM employees as dept_employees
     WHERE dept_employees.department_id = employees.department_id) as avg_salary
FROM employees;

Оптимизированный запрос с использованием JOIN:

SELECT 
    e.employee_name,
    e.department_id,
    a.avg_salary
FROM employees e
JOIN (
    SELECT 
        department_id, 
        AVG(salary) as avg_salary
    FROM employees
    GROUP BY department_id
) a ON e.department_id = a.department_id;

Здесь подзапрос преобразуется в производное табличное выражение, которое затем соединяется с основной таблицей employees. Это уменьшает количество необходимых вычислений, так как средняя зарплата по отделу вычисляется один раз для каждого отдела, а не для каждой строки.

Применение временных таблиц и табличных выражений

Временные таблицы и табличные выражения (Common Table Expressions, CTE) также являются хорошей альтернативой для упрощения сложных запросов с коррелированными подзапросами. Они предоставляют способ разделения запроса на более мелкие, управляемые части, что облегчает его оптимизацию и понимание.

Пример использования временной таблицы:

CREATE TEMPORARY TABLE DepartmentAverages AS
SELECT 
    department_id,
    AVG(salary) as avg_salary
FROM employees
GROUP BY department_id;

SELECT 
    e.employee_name,
    e.department_id,
    da.avg_salary
FROM employees e
JOIN DepartmentAverages da ON e.department_id = da.department_id;

В этом примере создается временная таблица, содержащая средние зарплаты по отделам. Затем эта таблица используется для соединения с основной таблицей employees, обеспечивая тем самым эффективное сопоставление данных.

Пример использования CTE:

WITH DepartmentAverages AS (
    SELECT 
        department_id,
        AVG(salary) as avg_salary
    FROM employees
    GROUP BY department_id
)
SELECT 
    e.employee_name,
    e.department_id,
    da.avg_salary
FROM employees e
JOIN DepartmentAverages da ON e.department_id = da.department_id;

CTE предоставляет аналогичную функциональность, что и временные таблицы, но с улучшенной читаемостью и возможностью включения в более крупные транзакции.

Оба метода помогают уменьшить количество обращений к базе данных и ускорить выполнение запросов за счет предварительного агрегирования данных и исключения необходимости многократного выполнения подзапросов.

Распространенные ошибки при использовании коррелированных подзапросов

Некорректное использование внешних ссылок

Одна из основных ошибок при использовании коррелированных подзапросов — некорректное использование внешних ссылок. Это происходит, когда подзапрос ссылается на столбцы, которые не доступны в его текущем контексте или используются неправильно. Такие ошибки могут привести к некорректным результатам или к синтаксическим ошибкам в SQL-запросах.

Пример ошибки:

SELECT 
    e.employee_name,
    (SELECT department_name
     FROM departments d
     WHERE d.department_id = e.department_id) as dept_name
FROM employees e
LEFT JOIN departments d ON e.department_id = d.department_id;

В этом примере в подзапросе используется e.department_id, который корректно ссылается на столбец внешнего запроса. Ошибка могла бы возникнуть, если бы ссылка e.department_id использовалась в контексте, где она не доступна, например, в подзапросе без указания e.

Проблемы с производительностью и зацикливание

Коррелированные подзапросы часто вызывают проблемы с производительностью, особенно в больших базах данных. Поскольку каждая строка основного запроса требует выполнения подзапроса, это может привести к значительным задержкам при обработке больших объемов данных.

Пример проблемы производительности:

SELECT 
    employee_name,
    (SELECT AVG(salary)
     FROM employees e2
     WHERE e2.department_id = e.department_id) as avg_department_salary
FROM employees e;

В этом примере для каждой строки employees повторно выполняется подзапрос, что может привести к существенной нагрузке на сервер базы данных, особенно если таблица employees содержит большое количество строк.

Зацикливание — менее распространенная, но возможная проблема, когда подзапрос по ошибке создает условия, при которых SQL-запрос не завершается (например, когда подзапросы взаимно ссылаются друг на друга).

Пример зацикливания:

SELECT 
    (SELECT e2.employee_name
     FROM employees e2
     WHERE e2.employee_id = (SELECT e3.employee_id
                             FROM employees e3
                             WHERE e3.employee_id = e2.supervisor_id))
FROM employees e;

В этом примере подзапросы могут создать взаимные ссылки, которые приводят к бесконечным циклам, если не контролируются условия выхода.

Для предотвращения этих ошибок важно тщательно планировать структуру запросов, правильно использовать индексы и, по возможности, использовать альтернативные методы (например, JOIN или временные таблицы) для уменьшения количества итераций подзапросов.

Примеры использования коррелированных подзапросов

Поиск максимальных или минимальных значений для каждой группы

Коррелированные подзапросы часто используются для определения максимальных или минимальных значений внутри групп, когда стандартные SQL-операции не могут легко решить задачу.

Пример:

SELECT 
    department_id,
    employee_name,
    salary,
    (SELECT MAX(salary)
     FROM employees e2
     WHERE e2.department_id = e.department_id) as max_salary
FROM employees e
WHERE salary = (SELECT MAX(salary)
                FROM employees e2
                WHERE e2.department_id = e.department_id);

Здесь для каждого отдела выбираются сотрудники с максимальной зарплатой. Подзапрос вычисляет максимальную зарплату в каждом отделе, и с помощью внешнего запроса выбираются те сотрудники, чья зарплата равна этому значению.

Вычисление процентного отношения значений в разных таблицах

Коррелированные подзапросы могут использоваться для вычисления отношений значений, которые распределены по разным таблицам.

Пример:

SELECT 
    product_id,
    sales,
    (SELECT SUM(sales)
     FROM all_sales) as total_sales,
    (sales / (SELECT SUM(sales) FROM all_sales)) * 100 as sales_percentage
FROM product_sales;

Здесь для каждого продукта вычисляется доля его продаж от общего числа продаж, где подзапрос в знаменателе вычисляет общее количество продаж всех продуктов.

Проверка наличия связанных записей в других таблицах

Использование коррелированных подзапросов для проверки наличия или отсутствия связанных записей в других таблицах является распространенным приемом.

Пример:

SELECT 
    employee_id,
    employee_name,
    EXISTS (SELECT *
            FROM project_assignments pa
            WHERE pa.employee_id = e.employee_id) as is_assigned
FROM employees e;

В этом запросе для каждого сотрудника проверяется, назначен ли он хотя бы на один проект. Результатом будет столбец is_assigned с булевыми значениями, указывающими, есть ли связанные записи в таблице project_assignments.

Эти примеры демонстрируют, как коррелированные подзапросы могут быть использованы для выполнения различных типов анализа данных, от простых проверок наличия связей до сложных расчетов агрегатов и процентных соотношений.