Kapitel 8 Dr. Jérôme Kunegis. SQL Continued. WeST Institute for Web Science & Technologies

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1 Kapitel 8 Dr. Jérôme Kunegis SQL Continued WeST Institute for Web Science & Technologies

2 Lernziele Syntax von SQL Anfragen Erweiterte Konstrukte in SQL Abfragen: Aggregation, Gruppierung, rekursive Anfragen.. Präzise Semantik von SQL Anfragen: Abbildung auf RA 2

3 Einfache SQL Anfragen "Grobsyntax": select_block { { UNION INTERSECT MINUS } [ALL] select_block...} [ORDER BY result_column [ASC DESC] {, result_column [ASC DESC] } mit select_block ::= SELECT [ALL DISTINCT] {column {expression [AS result_column]}} {, {column {expression [AS result_column]}} } FROM table [correlation_var] {, table [correlation_var] } [WHERE search_condition] [GROUP BY column {, column } [HAVING search_condition] ] 3

4 Oracle: Syntaxdiagramm 4

5 Mengenoperationen UNION UNION ALL INTERSECT MINUS Vereinigung von Mengen Vereinigung von Multimengen Schnittmenge Set-Minus (a.k.a. EXCEPT) Anfrage: Namen von allen Uni-Angehörigen SELECT Name FROM Assistenten UNION SELECT Name FROM Professoren UNION SELECT Name FROM Techniker; 5

6 Korrelationsvariablen (Tupelvariablen) Anfrage: alle Paare von Studenten, die in derselben Vorlesung sitzen SELECT s1.name, s2.name FROM Studenten s1, hören h1, Studenten s2, hören h2 WHERE h1.vorlnr = h2.vorlnr AND h1.matrnr = s1.matrnr AND h2.matrnr = s2.matrnr AND h1.matrnr < h2.matrnr; 6

7 Join "Grobsyntax" inner joins:... FROM <table1> [INNER NATURAL CROSS] JOIN <table2> [ON <condition>] [USING <column_name>,... ], "Grobsyntax" outer joins: FROM <table1> {LEFT RIGHT FULL [OUTER]} UNION JOIN <table2> [ON <condition>] [USING <column_name>,... ],

8 Inner Join Anfrage: welcher Professor bietet welche Vorlesungen an? SELECT p.name, v.name FROM Professoren p INNER JOIN Vorlesungen v ON p.persnr = v.gelesenvon; SELECT p.name, v.name FROM Professoren p JOIN Vorlesungen v ON p.persnr = v.gelesenvon; SELECT p.name, v.name FROM Professoren p, Vorlesungen v WHERE p.persnr = v.gelesenvon; 8

9 Natural Join Anfrage: Welcher Student hört welche Vorlesung? SELECT Studenten.Name, Vorlesungen.Name FROM Studenten NATURAL JOIN hören NATURAL JOIN Vorlesungen; SELECT s.name, v.name FROM Studenten s, hören h, Vorlesungen v WHERE s.matrnr = h.matrnr AND h.vorlnr = v.vorlnr; 9

10 Cross Join Anfrage: alle Paare "Professor Student" : SELECT Professoren.Name, Studenten.Name FROM Professoren CROSS JOIN Studenten; SELECT p.name, s.name FROM Professoren p, Studenten s; 10

11 Outer Joins: Left Outer Join SELECT p.persnr, p.name, f.persnr, f.note, f.matrnr, s.matrnr, s.name FROM Professoren p LEFT OUTER JOIN ( prüfen f LEFT OUTER JOIN Studenten s ON f.matrnr = s.matrnr ) ON p.persnr = f.persnr ; p.persnr p.name f.persnr f.note f.matrnr s.matrnr s.name 2126 Russel Carnap 2125 Sokrates Jonas 2137 Kant Schopenhauer 2136 Curie Ø Ø Ø Ø Ø 11

12 Outer Joins: Right Outer Join SELECT p.persnr, p.name, f.persnr, f.note, f.matrnr, s.matrnr, s.name FROM Professoren p RIGHT OUTER JOIN (prüfen f RIGHT OUTER JOIN Studenten s ON f.matrnr = p.matrnr) ON p.persnr = f.persnr; p.persnr p.name f.persnr f.note f.matrnr s.matrnr s.name 2126 Russel Carnap 2125 Sokrates Jonas 2137 Kant Schopenhauer Ø Ø Ø Ø Ø Fichte 12

13 Outer Joins: Full Outer Join SELECT p.persnr, p.name, f.persnr, f.note, f.matrnr, s.matrnr, s.name FROM Professoren p FULL OUTER JOIN (prüfen f FULL OUTER JOIN Studenten s ON f.matrnr = s.matrnr) ON p.persnr = f.persnr; p.persnr p.name f.persnr f.note f.matrnr s.matrnr s.name 2126 Russel Carnap 2125 Sokrates Jonas 2137 Kant Schopenhauer Ø Ø Ø Ø Ø Fichte 2136 Curie Ø Ø Ø Ø Ø 13

14 Bereichsanfragen und Mitgliedschaft in der Menge Anfrage: Studenten der ersten vier Semester SELECT * FROM Studenten WHERE Semester >= 1 AND Semester <= 4; SELECT * FROM Studenten WHERE Semester BETWEEN 1 and 4; SELECT * FROM Studenten WHERE Semester IN (1,2,3,4); 14

15 Subqueries unkorellierte Subqueries: Anfrage: Professoren, die keine Vorlesungen anbieten SELECT Name FROM Professoren WHERE PersNr NOT IN ( SELECT gelesenvon FROM Vorlesungen ); korrelierte Subqueries: Anfrage: Professoren, die keine Vorlesungen anbieten SELECT p.name FROM Professoren p WHERE NOT EXISTS ( SELECT v.gelesenvon FROM Vorlesungen v WHERE v.gelesenvon = p.persnr ); 15

16 String-Pattern-Matching Anfrage: Studenten, deren Name 'Schulz' ist: SELECT * FROM Studenten WHERE Name = 'Schulz'; Anfrage: Studenten, deren Name mit 'A' beginnt: SELECT * FROM Studenten WHERE Name LIKE 'A%'; Anfrage: Studenten mit Namen Mayer, Meyer, Mayor, : SELECT * FROM Studenten WHERE Name LIKE 'M_y_r'; 16

17 "Quantifizierte" Subqueries Die Bedingung Wert θ ANY Menge mit θ {{=,, <, >,, } ist erfüllt, wenn es in der Menge ein Element gibt, für das Wert θ Element gilt. (= ANY ist äquivalent zu IN) (SOME ist äquivalent to ANY) Die Bedingung Wert θ ALL Menge mit θ {=,, <, >,, } ist erfüllt, wenn für alle Elemente der Menge gilt: Wert θ Element. (<> ALL ist äquivalent zu NOT IN) Die Bedingung EXISTS Menge ist erfüllt, wenn die Menge nicht leer ist (dies ist äquivalent zur Bedingung 0 < SELECT COUNT(*) FROM...) Achtung: Wert θ ALL (query_returns_no_rows) = TRUE Wert θ ANY (query_returns_no_rows) = FALSE 17

18 "Quantifizierte" Subqueries Anfrage: Studenten im höchsten Semester: SELECT * FROM Studenten WHERE Semester >= ALL (SELECT Semester FROM Studenten); Anfrage: Studenten, für die keine Prüfungen erfasst sind: SELECT * FROM Studenten s WHERE NOT EXISTS (SELECT * FROM Prüfen p WHERE p.matrnr = s.matrnr); 18

19 Simulation allquantifizierter Suchprädikate SQL hat keinen Allquantor. Formulierungen der Anfrage: Wer hat alle vierstündigen Vorlesungen gehört? x. P(x) x. P(x) 19

20 Umsetzung des Allquantors in SQL Anfrage: Wer hat alle vierstündigen Vorlesungen gehört? SELECT s.matrnr FROM Studenten s WHERE NOT EXISTS (SELECT * FROM Vorlesungen v WHERE v.sws = 4 AND NOT EXISTS (SELECT * FROM hören h WHERE h.vorlnr = v.vorlnr AND h.matrnr=s.matrnr)); 20

21 Umsetzung des Allquantors in SQL: alternative Form Anfrage: Wer hat alle vierstündigen Vorlesungen gehört? SELECT s.matrnr FROM Studenten s WHERE NOT EXISTS ( SELECT v.vorlnr FROM Vorlesungen v WHERE v.sws = 4 MINUS SELECT h.vorlnr FROM hören h WHERE h.matrnr = s.matrnr ); 21

22 Aggregationsfunktionen "Grobsyntax": { MAX MIN AVG SUM COUNT } ( { ALL DISTINCT } {column expression *} ) "Grobsemantik": Abbildung einer Menge skalarer Werte auf einen skalaren Wert 22

23 Aggregationsfunktionen: Beispiele (1) 1) Das höchste Semester unter allen Studenten: SELECT MAX (Semester) FROM Studenten; 2) Notendurchschnitt aller Prüfungsergebnisse: SELECT AVG (Note) FROM prüfen; 23

24 Aggregationsfunktionen: Beispiele (2) 3) Welche Studenten haben bereits einige Prüfungen hinter sich? SELECT DISTINCT MatrNr FROM prüfen; 4) Wieviele Studenten haben bereits Prüfungen hinter sich? SELECT COUNT (DISTINCT MatrNr) FROM prüfen ; 5) Wieviele Studenten sind im 15. Semester? SELECT COUNT (*) FROM Studenten WHERE Semester = 15; 6) Prüfungsleistungen, die über dem globalen Durchschnitt liegen: SELECT p.note FROM prüfen p WHERE p.note < (SELECT AVG (p1.note) FROM prüfen p1); 24

25 Gruppierung Lehrpensum (Summe der Semesterwochenstunden) pro Professor: SELECT gelesenvon, SUM (SWS) FROM Vorlesungen GROUP BY gelesenvon; Lehrpensum der -Professoren, die überwiegend umfangreiche Lehrveranstaltungen anbieten (mit durchschnittlichem Umfang 3 SWS und mehr) SELECT gelesenvon, Name, SUM (SWS) FROM Vorlesungen, Professoren WHERE gelesenvon = PersNr AND Rang = '' GROUP BY gelesenvon, Name HAVING AVG (SWS) >= 3; 25

26 Ausführen einer Anfrage mit GROUP BY SELECT gelesenvon, Name, SUM (SWS) FROM Vorlesungen, Professoren WHERE gelesenvon = PersNr AND Rang = '' GROUP BY gelesenvon, Name HAVING AVG (SWS) >= 3; FROM Vorlesungen, Professoren VorlNr Titel 5001 Grundzüge 5041 Ethik Die 3 Kritiken SWS gelesen Von PersNr Name 2125 Sokrates 2125 Sokrates Kant Rang Raum WHERE gelesenvon = PersNr AND Rang = '' 26

27 Ausführen einer Anfrage mit GROUP BY (2) WHERE gelesenvon = PersNr AND Rang = '' VorlNr Titel SWS gelesen PersNr Von Name Rang Raum Grundzüge Ethik Erkenntnistheorie Mäeutik Logik Wissenschaftstheorie Kant Sokrates Russel Sokrates Sokrates Russel Bioethik Die 3 Kritiken Russel Kant GROUP BY gelesenvon, Name 27

28 SWS gelesenvon PersNr Name VorlN Titel r 5041 Ethik Sokrates 5049 Mäeutik Sokrates 4052 Logik Sokrates 5043 Erkenntnistheorie Russel 5052 Wissenschaftstheo Russel 5216 Bioethik Russel 5001 Grundzüge Kant 4630 Die 3 Kritiken Kant Rang Raum HAVING AVG (SWS) >= 3 VorlN r Titel Ethik Mäeutik Logik Grundzüge Die 3 Kritiken SWS gelesenvon PersNr Name Sokrates Sokrates Sokrates Kant Kant Rang Raum

29 Ausführen einer Anfrage mit GROUP BY (4) HAVING AVG (SWS) >= 3 VorlN r Titel Ethik Mäeutik Logik Grundzüge Die 3 Kritiken SWS gelesenvon PersNr Name Sokrates Sokrates Sokrates Kant Kant Rang Raum SELECT gelesenvon, Name, SUM (SWS) gelesenvon Name sum (SWS) 2125 Sokrates Kant 8 29

30 Simulation allquantifizierter Suchprädikate durch count-aggregation Allquantifizierung kann auch durch eine COUNT-Aggregation ausgedrückt werden Anfrage: Wer hat alle vierstündigen Vorlesungen gehört? SELECT h.matrnr FROM hören h, Vorlesungen v WHERE v.sws = 4 AND h.vorlnr = v.vorlnr GROUP BY h.matrnr HAVING COUNT (*) = (SELECT COUNT (*) FROM Vorlesungen v1 WHERE v1.sws = 4); 30

31 Count-Aggregation: Fehlerquellen Anfrage: Namen der Studenten, die alle vierstündigen Vorlesungen gehört haben Vorsicht: so geht das nicht SELECT h.matrnr, s.name FROM hören h, Vorlesungen v, Studenten s WHERE v.sws = 4 AND h.vorlnr = v.vorlnr AND h.matrnr = s.matrnr GROUP BY h.matrnr HAVING COUNT (*) = (SELECT COUNT (*) FROM Vorlesungen v1 WHERE v1.sws = 4); 31

32 Count-Aggregation: Fehlerquellen Anfrage: Namen der Studenten, die alle vierstündigen Vorlesungen gehört haben SELECT h.matrnr, s.name FROM hören h, Vorlesungen v, Studenten s WHERE v.sws = 4 AND h.vorlnr = v.vorlnr AND h.matrnr = s.matrnr GROUP BY h.matrnr, s.name HAVING COUNT (*) = ( SELECT COUNT (*) FROM Vorlesungen v1 WHERE v1.sws = 4 ); SQL erzeugt pro Gruppe ein Ergebnistupel. Deshalb müssen alle in der SELECT-Klausel aufgeführten Attribute - außer den aggregierten auch in der GROUP BY-Klausel aufgeführt werden! 32

33 Behandlung von Nullwerten "Grobsemantik": Unbekannter Wert. Nullwerte können auch im Zuge der Anfrageauswertung entstehen (z.b. Outer Joins) manchmal überraschende Anfrageergebnisse, wenn Nullwerte vorkommen: SELECT COUNT(*) FROM prüfen WHERE Note > 2.0 OR Note <= 2.0 ; ist NICHT immer identisch mit SELECT COUNT(*) FROM prüfen ; Grund: wenn es Prüfungen gibt, deren Note-Attribut (noch) den Wert NULL hat, werden diese nicht mitgezählt! 33

34 Auswertung bei Null-Werten In arithmetischen Ausdrücken werden Nullwerte propagiert: NULL + 1 = NULL NULL * 0 = NULL Die Behandlung von Strings + CLOBs ist systemspezifisch: Oracle: NULL 'string' = 'string' MS SQL Server: NULL + 'string' = null MySQL: concat(null, 'string') = NULL (btw, equivalent zu OR) SQL hat eine dreiwertige Logik mit TRUE, FALSE, UNKNOWN. Diesen Wert liefern Vergleichsoperationen zurück, wenn mindestens eines ihrer Argumente NULL ist. z.b. (Note <= 2.0) liefert UNKNOWN falls Note NULL ist 34

35 Gruppierung bei Null-Werten Bei einer Gruppierung wird null als ein eigenständiger Wert aufgefasst und in eine eigene Gruppe eingeordnet: SELECT Note, count(*) FROM prüfen GROUP BY Note Note 1.0 count(*) NULL

36 Test auf Nullwert Anfrage: bisher unbenotete Prüfungsleistungen SELECT * FROM prüfen WHERE Note IS NULL; Anfrage: Professoren mit eigenem Büro SELECT * FROM Professoren WHERE Raum IS NOT NULL; 36

37 Rekursive Anfragen für transitive Hüllen u.ä. Oracle Syntax: START WITH <condition> CONNECT BY [NOCYCLE] <condition> Anfrage: alle Vorlesungen, die man vor der Vorlesung 5041 (Ethik) besucht haben sollte SELECT Vorgänger FROM voraussetzen START WITH Nachfolger = 5041 CONNECT BY NOCYCLE PRIOR Vorgänger = Nachfolger AND Vorgänger!=

38 Built-in-Funktionen auf skalaren Werten Häufig produktspezifisch, z.b. Stringmanipulation in Oracle: SELECT SUBSTR (Name, INSTR(Name, ' ')+1) FROM Studenten Umwandlung eines Datums (Datentyp DATE) in einen String: SELECT TO_CHAR(SYSDATE, 'DY DD MONTH YYYY, HH24:MI:SS') FROM DUAL; etc. 38

39 Anhang Kapitel 8 Präzise Semantik von SQL-Anfragen 39

40 Abbildung SQL auf TRK und RA "Grobsemantik": SELECT A, B,... FROM R, S,..., T,... WHERE F (so dass A, B,... zu R, S,... gehören, nicht aber zu T,..., und F über R, S,..., T,... definiert ist) RA: TRK: 40

41 1. Abbildung SQL auf RA 41

42 Präzise Semantik einfacher SQL-Anfragen: Abbildung auf RA Voraussetzungen: 1) Vernachlässigung von Multimengen, Nullwerten u.ä. 2) Eindeutige Benennung von Tupelvariablen und Zuordnung von Attributen Vorgehensweise: Definition einer Abbildungsfunktion sql2ra: sql query ra query von select_block-konstrukten auf RA-Anfragen unter Verwendung der Funktion sql2ra : sql where clause ra query ra query von search_condition-konstrukten auf RA-Ausdrücke sowie der Hilfsfunktion sql2ra-: sql where clause ra query ra query mit sql2ra- [F](E) = E - π[sch(e)] (sql2ra [F](E) ).. Erweiterung auf Multirelationen relativ leicht möglich. 42

43 Abbildung SQL auf RA (1) sql2ra [ SELECT A1, A2, FROM REL1 R1, REL2 R2,, RELm Rm, TAB1 T1, TAB2 T2,, TABk Tk WHERE F ] (so dass A1, A2,..., An zu REL1, REL2,, RELm gehören, nicht aber zu TAB1,, TABk und F über REL1,..., RELm, TAB1,, TABk definiert ist ) 43

44 Abbildung SQL auf RA (2) sql2ra [ select-block1 UNION select-block2 ] mit select-block1: SELECT A1, A2, FROM REL1 R1,, RELm Rm, TAB1 T1,, TABk Tk WHERE F und select-block2: SELECT B1, B2,... FROM SET1 S1,..., SETm Sm, PAR1 P1,..., PARk Pk WHERE G.. mit ggf. notwendigen Umbenennungen von Attributen 44

45 Abbildung SQL auf RA (2) 45

46 Abbildung SQL auf RA (4) sql2trc [Ri.Aj IN subquery] (so dass subquery die Form SELECT Qk.C FROM QUELL1 Q1,..., QUELLm Qm WHERE H hat) 46

47 Abbildung SQL auf RA (5) sql2trc [Ri.Aj θ ANY subquery] = (so dass subquery die Form SELECT Qk.C FROM QUELL1 Q1,..., QUELLm Qm WHERE H hat) 47

48 Abbildung SQL auf RA (6) sql2trc [Ri.Aj θ ALL subquery] = (so dass subquery die Form SELECT Qk.C FROM QUELL1 Q1,..., QUELLm Qm WHERE H hat) 48

49 Abbildung SQL auf RA (7) sql2trc [EXISTS subquery] = (so dass subquery die Form SELECT C1, C2,... FROM QUELL1 Q1,..., QUELLm Qm WHERE H hat) 49

50 Abbildung SQL auf RA: Beispiel query = SELECT s.matrnr, s.name FROM Studenten s WHERE s.semester > 5 AND NOT EXISTS (SELECT * FROM hören h, Vorlesungen v WHERE v.sws = 4 AND v.vorlnr = h.vorlnr AND s.matrnr = h.matrnr) 50

51 3. Semantik der Gruppierung 51

52 Abbildung SQL auf RA (1) sql2ra [ SELECT A', f(b) FROM WHERE GROUP BY A ] (wobei A' A gelten muss) 52