在计算机领域有许多伟大的设计理念和思想，例如：

• 在 Unix 中，一切皆文件。
• 在面向对象的编程语言中，一切皆对象。

关系数据库同样也有自己的设计思想：在 SQL 中，一切皆关系。

关系模型

关系模型（Relational model）由 E.F.Codd 博士于 1970 年提出，以集合论中的关系概念为基础；无论是现实世界中的实体对象还是它们之间的联系都使用关系表示。我们在数据库系统中看到的关系就是二维表（Table），由行（Row）和列（Column）组成。因此，也可以说关系表是由数据行构成的集合。

关系模型由数据结构、关系操作、完整性约束三部分组成。

• 关系模型中的数据结构就是关系表，包括基础表、派生表（查询结果）和虚拟表（视图）。
• 常用的关系操作包括增加、删除、修改和查询（CRUD），使用的就是 SQL 语言。其中查询操作最为复杂，包括选择（Selection）、投影（Projection）、并集（Union）、交集（Intersection）、差集（Exception）以及笛卡儿积（Cartesian product）等。
• 完整性约束用于维护数据的完整性或者满足业务约束的需求，包括实体完整性（主键约束）、参照完整性（外键约束）以及用户定义的完整性（非空约束、唯一约束、检查约束和默认值）。

数据结构

在关系模型中，用于存储数据的逻辑结构称为关系（Relation）；对于使用者而言，关系就是二维表（Table）。

以下是一个员工信息表，它和 Excel 表格非常类似，由行（Row）和列（Column）组成。

在不同的场景下，大家可能会听到关于同一个概念的不同说法。在此，我们列出了关系数据库中的一些常见概念：

• 关系，也称为表，用于表示现实世界中的实体（Entity）或者实体之间的联系（Relationship）。举例来说，一个公司的员工、部门和职位都是实体，分别对应员工信息表、部门信息表和职位信息表；销售的产品和订单都是实体，同时它们之间存在联系，对应订单明细表。
• 行，也称为记录（Record），代表了关系中的单个实体。上图中工号为 4 的数据行存储了“诸葛亮”的相关信息。关系（表）可以看作是由行组成的集合。
• 列，也称为字段（Field），表示实体的某个属性。上图中的第二列包含了员工的姓名。表中的每个列都有一个对应的数据类型，常见的数据类型包括字符类型、数字类型、日期时间类型等。

有了关系结构之后，就需要定义基于关系的数据操作。

操作集合

常见的数据操作包括增加（Create）、查询（Retrieve）、更新（Update）以及删除（Delete），或者统称为增删改查（CRUD）。

其中，使用最多、也最复杂的操作就是查询，具体来说包括选择（Selection）、投影（Projection）、并集（Union）、交集（Intersection）、差集（exception）以及笛卡儿积（Cartesian product）等。我们将会介绍如何使用 SQL 语句完成以上各种数据操作。

为了维护数据的完整性或者满足业务需求，关系模型还定义了完整性约束。

完整性约束

关系模型中定义了三种完整性约束：实体完整性、参照完整性以及用户定义完整性。

• 实体完整性是指表的主键字段不能为空。现实中的每个实体都具有唯一性，比如每个人都有唯一的身份证号；在关系数据库中，这种唯一标识每一行数据的字段称为主键（Primary Key），主键字段不能为空。每个表可以有且只能有一个主键。
• 参照完整性是指外键参照的完整性。外键（Foreign Key）代表了两个表之间的关联关系，比如员工属于某个部门；因此员工表中存在部门编号字段，引用了部门表中的部门编号字段。对于外键引用，被引用的数据必须存在，员工不可能属于一个不存在的部门；删除某个部门之前，也需要对部门中的员工进行相应的处理。
• 用户定义完整性是指基于业务需要自定义的约束。非空约束（NOT NULL）确保了相应的字段不会出现空值，例如员工一定要有姓名；唯一约束（UNIQUE）用于确保字段中的值不会重复，每个员工的电子邮箱必须唯一；检查约束（CHECK）可以定义更多的业务规则。例如，薪水必须大于 0 ，字符必须大写等；默认值（DEFAULT）用于向字段中插入默认的数据。

存储引擎（Storage Engine）是 MySQL 中用于管理、访问和修改物理数据的组件，不同的存储引擎提供了不同的功能和特性。从 MySQL 5.5 开始默认使用 InnoDB 存储引擎，支持事务处理（ACID）、行级锁定、故障恢复、多版本并发控制（MVCC）以及外键约束等。

关系数据库使用 SQL 作为访问和操作数据的标准语言。现在，让我们来直观感受一下 SQL 语句的特点。

语法特性

SQL 是一种声明性的编程语言，语法接近于自然语言（英语）。通过几个简单的英文单词，例如 SELECT、INSERT、UPDATE、CREATE、DROP 等，完成大部分的数据库操作。以下是一个简单的查询示例：

SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM employeeWHERE salary > 10000ORDER BY emp_id;

它查询员工表（employee）中月薪（salary）大于 10000 的员工，返回工号、姓名以及月薪，并且按照工号进行排序。可以看出，SQL 语句非常简单直观。

以上查询中的 SELECT、FROM 等称为关键字（也称为子句），一般大写；表名、列名等内容一般小写；分号（;）表示语句的结束。SQL 语句不区分大小写，但是遵循一定的规则可以让代码更容易阅读。

SQL 是一种声明式的语言，声明式语言的主要思想是告诉计算机想要什么结果（what），但不指定具体怎么做。这类语言还包括 HTML、正则表达式以及函数式编程等。

面向集合

对于 SQL 语句而言，它所操作的对象是一个集合（表），操作的结果也是一个集合（表）。例如以下查询：

SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM employee;

其中 employee 是一个表，它是该语句查询的对象；同时，查询的结果也是一个表。所以，我们可以继续扩展该查询：

SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM (SELECT emp_id, emp_name, salaryFROM employee) dt;

我们将括号中的查询结果（取名为 dt）作为输入值，传递给了外面的查询；最终整个语句的结果仍然是一个表。

SQL 中的查询可以完成各种数据操作，例如过滤转换、分组汇总、排序显示等；但是它们本质上都是针对表的操作，结果也是表。

不仅仅是查询语句，SQL 中的插入、更新和删除都以集合为操作对象。我们再看一个插入数据的示例：

CREATE TABLE t(id INTEGER);-- 适用于 MySQL、SQL Server 以及 PostgreSQLINSERT INTO t(id)VALUES (1), (2), (3);

我们首先使用 CREATE TABLE 语句创建了一个表，然后使用 INSERT INTO 语句插入数据。在执行插入操作之前，会在内存中创建一个包含 3 条数据的临时集合（表），然后将该集合插入目标表中。由于我们通常一次插入一条数据，以为是按照数据行进行插入；实际上，一条数据也是一个集合，只不过它只有一个元素而已。

Oracle 不支持以上插入多行数据的语法，可以使用下面的插入语句：

-- 适用于 OracleINSERT INTO t(id)SELECT 1 FROM DUALUNION ALLSELECT 2 FROM DUALUNION ALLSELECT 3 FROM DUAL;

UNION ALL 是 SQL 中的并集运算，用于将两个集合组成一个更大的集合。此外，SQL 还支持交集运算（INTERSECT）、差集运算（EXCEPT）以及笛卡儿积（Cartesian product）。我们会在第 18 篇中介绍这些内容，它们也都是以集合为对象的操作。

我们已经介绍了 SQL 语言的声明性和面向集合的编程思想。在正式学习编写 SQL 语句之前，还需要进行一些准备工作，主要就是安装示例数据库。

示例数据库

在学习过程中，我们主要使用一个虚构的公司数据模型。该示例数据库包含 3 个表：员工表（employee）、部门表（department）和职位表（job）。以下是它们的结构图，也称为实体-关系图（Entity-Relational Diagram）：

• 部门表（department），包含部门编号（deptid）和部门名称（deptname）字段，主键为部门编号。该表共计 6 条数据。
• 职位表（job），包含职位编号（jobid）和职位名称（jobtitle）字段，主键为职位编号。该表共计 10 条数据。
• 员工表（employee），包含员工编号（empid）和员工姓名（empname）等字段，主键为员工编号，部门编号（deptid）字段是引用部门表的外键，职位编号（jobid）字段是引用职位表的外键，经理编号（manager）字段是引用员工表自身的外键。该表共计 25 条数据。

我们在 GitHub 上为大家提供了示例表和初始数据的创建脚本和安装说明，支持 Oracle、MySQL、SQL Server 以及 PostgreSQL。点击链接进行下载。

运行这些脚本之前，需要先安装数据库软件。网络上有很多这类安装教程可以参考；如果无法安装数据库，也可以使用这个免费的在线 SQL 开发环境：http://sqlfiddle.com，它提供了各种常见的关系数据库服务。下图是使用 MySQL 运行示例脚本的结果：

选择数据库之后，将创建表和插入数据的脚本复制到左边窗口，点击“Build Schema”进行初始化；点击“Browser”可以查看表结构；在右侧窗口输入 SQL 语句，点击“Run SQL”运行并查看结果。该工具提供的数据库不是最新版本，但是可以运行大部分的示例。

文章中所有的示例都在以下数据库版本中进行了验证：

• Oracle database 18c
• MySQL 8.0
• SQL Server 2017
• PostgreSQL 12

小结

关系模型中定义了一个简单的数据结构，即关系（表），用于存储数据。SQL 是关系数据库的通用标准语言，它使用接近于自然语言（英语）的语法，通过声明的方式执行数据定义、数据操作、访问控制等。对于 SQL 而言，一切都是关系（表）。