第11篇：深入了解连接查询及原理-Java充电社【公众号：Java充电社】

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这是Mysql系列第11篇。

环境：mysql5.7.25，cmd命令中进行演示。

**当我们查询的数据来源于多张表的时候，我们需要用到连接查询，连接查询使用率非常高，希望大家都务必掌握。**

## 本文内容

1. 笛卡尔积
2. 内连接
3. 外连接
4. 左连接
5. 右连接
6. 表连接的原理
7. 使用java实现连接查询，加深理解

## 准备数据

> 2张表：
>
> t_team：组表。
>
> t_employee：员工表，内部有个team_id引用组表的id。

```java
drop table if exists t_team;
create table t_team(
  id int not null AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY comment '组id',
  team_name varchar(32) not null default '' comment '名称'
) comment '组表';

drop table if exists t_employee;
create table t_employee(
  id int not null AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY comment '部门id',
  emp_name varchar(32) not null default '' comment '员工名称',
  team_id int not null default 0 comment '员工所在组id'
) comment '员工表表';

insert into t_team values (1,'架构组'),(2,'测试组'),(3,'java组'),(4,'前端组');
insert into t_employee values (1,'路人甲Java',1),(2,'张三',2),(3,'李四',3),(4,'王五',0),(5,'赵六',0);
```

`t_team`表4条记录，如下：

```java
mysql> select * from t_team;
+----+-----------+
| id | team_name |
+----+-----------+
|  1 | 架构组    |
|  2 | 测试组    |
|  3 | java组    |
|  4 | 前端组    |
+----+-----------+
4 rows in set (0.00 sec)
```

`t_employee`表5条记录，如下：

```java
mysql> select * from t_employee;
+----+---------------+---------+
| id | emp_name      | team_id |
+----+---------------+---------+
|  1 | 路人甲Java    |       1 |
|  2 | 张三          |       2 |
|  3 | 李四          |       3 |
|  4 | 王五          |       0 |
|  5 | 赵六          |       0 |
+----+---------------+---------+
5 rows in set (0.00 sec)
```

## 笛卡尔积

介绍连接查询之前，我们需要先了解一下笛卡尔积。

笛卡尔积简单点理解：有两个集合A和B，笛卡尔积表示A集合中的元素和B集合中的元素任意相互关联产生的所有可能的结果。

假如A中有m个元素，B中有n个元素，A、B笛卡尔积产生的结果有m*n个结果，相当于循环遍历两个集合中的元素，任意组合。

java伪代码表示如下：

```java
for(Object eleA : A){
	for(Object eleB : B){
		System.out.print(eleA+","+eleB);
	}
}
```

> 过程：拿A集合中的第1行，去匹配集合B中所有的行，然后再拿集合A中的第2行，去匹配集合B中所有的行，最后结果数量为m*n。

### sql中笛卡尔积语法

```java
select 字段 from 表1,表2[,表N];
或者
select 字段 from 表1 join 表2 [join 表N];
```

示例：

```
mysql> select * from t_team,t_employee;
+----+-----------+----+---------------+---------+
| id | team_name | id | emp_name      | team_id |
+----+-----------+----+---------------+---------+
|  1 | 架构组    |  1 | 路人甲Java    |       1 |
|  2 | 测试组    |  1 | 路人甲Java    |       1 |
|  3 | java组    |  1 | 路人甲Java    |       1 |
|  4 | 前端组    |  1 | 路人甲Java    |       1 |
|  1 | 架构组    |  2 | 张三          |       2 |
|  2 | 测试组    |  2 | 张三          |       2 |
|  3 | java组    |  2 | 张三          |       2 |
|  4 | 前端组    |  2 | 张三          |       2 |
|  1 | 架构组    |  3 | 李四          |       3 |
|  2 | 测试组    |  3 | 李四          |       3 |
|  3 | java组    |  3 | 李四          |       3 |
|  4 | 前端组    |  3 | 李四          |       3 |
|  1 | 架构组    |  4 | 王五          |       0 |
|  2 | 测试组    |  4 | 王五          |       0 |
|  3 | java组    |  4 | 王五          |       0 |
|  4 | 前端组    |  4 | 王五          |       0 |
|  1 | 架构组    |  5 | 赵六          |       0 |
|  2 | 测试组    |  5 | 赵六          |       0 |
|  3 | java组    |  5 | 赵六          |       0 |
|  4 | 前端组    |  5 | 赵六          |       0 |
+----+-----------+----+---------------+---------+
20 rows in set (0.00 sec)
```

t_team表4条记录，t_employee表5条记录，笛卡尔积结果输出了20行记录。

## 内连接

**语法：**

```java
select 字段 from 表1 inner join 表2 on 连接条件;
或
select 字段 from 表1 join 表2 on 连接条件;
或
select 字段 from 表1, 表2 [where 关联条件];
```

> 内连接相当于在笛卡尔积的基础上加上了连接的条件。
>
> 当没有连接条件的时候，内连接上升为笛卡尔积。

过程用java伪代码如下：

```java
for(Object eleA : A){
	for(Object eleB : B){
		if(连接条件是否为true){
			System.out.print(eleA+","+eleB);
		}
	}
}
```

### 示例1：有连接条件

> 查询员工及所属部门

```java
mysql> select t1.emp_name,t2.team_name from t_employee t1 inner join t_team t2 on t1.team_id = t2.id;
+---------------+-----------+
| emp_name      | team_name |
+---------------+-----------+
| 路人甲Java    | 架构组    |
| 张三          | 测试组    |
| 李四          | java组    |
+---------------+-----------+
3 rows in set (0.00 sec)

mysql> select t1.emp_name,t2.team_name from t_employee t1 join t_team t2 on t1.team_id = t2.id;
+---------------+-----------+
| emp_name      | team_name |
+---------------+-----------+
| 路人甲Java    | 架构组    |
| 张三          | 测试组    |
| 李四          | java组    |
+---------------+-----------+
3 rows in set (0.00 sec)

mysql> select t1.emp_name,t2.team_name from t_employee t1, t_team t2 where t1.team_id = t2.id;
+---------------+-----------+
| emp_name      | team_name |
+---------------+-----------+
| 路人甲Java    | 架构组    |
| 张三          | 测试组    |
| 李四          | java组    |
+---------------+-----------+
3 rows in set (0.00 sec)
```

> 上面相当于获取了2个表的交集，查询出了两个表都有的数据。

### 示例2：无连接条件

> 无条件内连接，上升为笛卡尔积，如下：

```java
mysql> select t1.emp_name,t2.team_name from t_employee t1 inner join t_team t2;
+---------------+-----------+
| emp_name      | team_name |
+---------------+-----------+
| 路人甲Java    | 架构组    |
| 路人甲Java    | 测试组    |
| 路人甲Java    | java组    |
| 路人甲Java    | 前端组    |
| 张三          | 架构组    |
| 张三          | 测试组    |
| 张三          | java组    |
| 张三          | 前端组    |
| 李四          | 架构组    |
| 李四          | 测试组    |
| 李四          | java组    |
| 李四          | 前端组    |
| 王五          | 架构组    |
| 王五          | 测试组    |
| 王五          | java组    |
| 王五          | 前端组    |
| 赵六          | 架构组    |
| 赵六          | 测试组    |
| 赵六          | java组    |
| 赵六          | 前端组    |
+---------------+-----------+
20 rows in set (0.00 sec)
```

### 示例3：组合条件进行查询

> 查询架构组的员工，3种写法

上面3中方式解说。

方式1：on中使用了组合条件。

方式2：在连接的结果之后再进行过滤，相当于先获取连接的结果，然后使用where中的条件再对连接结果进行过滤。

方式3：直接在where后面进行过滤。

### 总结

内连接建议使用第3种语法，简洁：

```java
select 字段 from 表1, 表2 [where 关联条件];
```

## 外连接

外连接涉及到2个表，分为：主表和从表，要查询的信息主要来自于哪个表，谁就是主表。

外连接查询结果为主表中所有记录。如果从表中有和它匹配的，则显示匹配的值，这部分相当于内连接查询出来的结果；如果从表中没有和它匹配的，则显示null。

**最终：外连接查询结果 = 内连接的结果 + 主表中有的而内连接结果中没有的记录。**

**外连接分为2种：**

**左外链接：使用left join关键字，left join左边的是主表。**

**右外连接：使用right join关键字，right join右边的是主表。**

## 左连接

### 语法

```java
select 列 from 主表 left join 从表 on 连接条件;
```

### 示例1:

查询所有员工信息，并显示员工所在组，如下：

```java
mysql> SELECT
        t1.emp_name,
        t2.team_name
    FROM
        t_employee t1
    LEFT JOIN
        t_team t2
    ON
        t1.team_id = t2.id;
+---------------+-----------+
| emp_name      | team_name |
+---------------+-----------+
| 路人甲Java    | 架构组    |
| 张三          | 测试组    |
| 李四          | java组    |
| 王五          | NULL      |
| 赵六          | NULL      |
+---------------+-----------+
5 rows in set (0.00 sec)
```

上面查询出了所有员工，员工team_id=0的，team_name为NULL。

### 示例2：

查询员工姓名、组名，返回组名不为空的记录，如下：

```java
mysql> SELECT
        t1.emp_name,
        t2.team_name
    FROM
        t_employee t1
    LEFT JOIN
        t_team t2
    ON
        t1.team_id = t2.id
    WHERE
        t2.team_name IS NOT NULL;
+---------------+-----------+
| emp_name      | team_name |
+---------------+-----------+
| 路人甲Java    | 架构组    |
| 张三          | 测试组    |
| 李四          | java组    |
+---------------+-----------+
3 rows in set (0.00 sec)
```

上面先使用内连接获取连接结果，然后再使用where对连接结果进行过滤。

## 右连接

### 语法

```java
select 列 from 从表 right join 主表 on 连接条件;
```

### 示例

我们使用右连接来实现上面左连接实现的功能，如下：

```java
mysql> SELECT
        t2.team_name,
        t1.emp_name
    FROM
        t_team t2
    RIGHT JOIN
        t_employee t1
    ON
        t1.team_id = t2.id;
+-----------+---------------+
| team_name | emp_name      |
+-----------+---------------+
| 架构组    | 路人甲Java    |
| 测试组    | 张三          |
| java组    | 李四          |
| NULL      | 王五          |
| NULL      | 赵六          |
+-----------+---------------+
5 rows in set (0.00 sec)

mysql> SELECT
        t2.team_name,
        t1.emp_name
    FROM
        t_team t2
    RIGHT JOIN
        t_employee t1
    ON
        t1.team_id = t2.id
    WHERE
        t2.team_name IS NOT NULL;
+-----------+---------------+
| team_name | emp_name      |
+-----------+---------------+
| 架构组    | 路人甲Java    |
| 测试组    | 张三          |
| java组    | 李四          |
+-----------+---------------+
3 rows in set (0.00 sec)
```

## 理解表连接原理

**准备数据**

```java
drop table if exists test1;
create table test1(
  a int
);
drop table if exists test2;
create table test2(
  b int
);
insert into test1 values (1),(2),(3);
insert into test2 values (3),(4),(5);
```

```java
mysql> select * from test1;
+------+
| a    |
+------+
|    1 |
|    2 |
|    3 |
+------+
3 rows in set (0.00 sec)

mysql> select * from test2;
+------+
| b    |
+------+
|    3 |
|    4 |
|    5 |
+------+
3 rows in set (0.00 sec)
```

我们来写几个连接，看看效果。

### 示例1：内连接

```java
mysql> select * from test1 t1,test2 t2;
+------+------+
| a    | b    |
+------+------+
|    1 |    3 |
|    2 |    3 |
|    3 |    3 |
|    1 |    4 |
|    2 |    4 |
|    3 |    4 |
|    1 |    5 |
|    2 |    5 |
|    3 |    5 |
+------+------+
9 rows in set (0.00 sec)

mysql> select * from test1 t1,test2 t2 where t1.a = t2.b;
+------+------+
| a    | b    |
+------+------+
|    3 |    3 |
+------+------+
1 row in set (0.00 sec)
```

9条数据正常。

### 示例2：左连接

```java
mysql> select * from test1 t1 left join test2 t2 on t1.a = t2.b;
+------+------+
| a    | b    |
+------+------+
|    3 |    3 |
|    1 | NULL |
|    2 | NULL |
+------+------+
3 rows in set (0.00 sec)
    
mysql> select * from test1 t1 left join test2 t2 on t1.a>10;
+------+------+
| a    | b    |
+------+------+
|    1 | NULL |
|    2 | NULL |
|    3 | NULL |
+------+------+
3 rows in set (0.00 sec)
    
mysql> select * from test1 t1 left join test2 t2 on 1=1;
+------+------+
| a    | b    |
+------+------+
|    1 |    3 |
|    2 |    3 |
|    3 |    3 |
|    1 |    4 |
|    2 |    4 |
|    3 |    4 |
|    1 |    5 |
|    2 |    5 |
|    3 |    5 |
+------+------+
9 rows in set (0.00 sec)
```

上面的左连接第一个好理解。

第2个sql连接条件`t1.a>10`，这个条件只关联了test1表，再看看结果，是否可以理解？不理解的继续向下看，我们用java代码来实现连接查询。

第3个sql中的连接条件1=1值为true，返回结果为笛卡尔积。

## java代码实现连接查询

> 下面是一个简略版的实现

```java
package com.itsoku.sql;

import org.junit.Test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.Objects;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.stream.Collectors;

public class Test1 {
    public static class Table1 {
        int a;

public int getA() {
            return a;
        }

public void setA(int a) {
            this.a = a;
        }

public Table1(int a) {
            this.a = a;
        }

@Override
        public String toString() {
            return "Table1{" +
                    "a=" + a +
                    '}';
        }

public static Table1 build(int a) {
            return new Table1(a);
        }
    }

public static class Table2 {
        int b;

public int getB() {
            return b;
        }

public void setB(int b) {
            this.b = b;
        }

public Table2(int b) {
            this.b = b;
        }

public static Table2 build(int b) {
            return new Table2(b);
        }

@Override
        public String toString() {
            return "Table2{" +
                    "b=" + b +
                    '}';
        }
    }

public static class Record<R1, R2> {
        R1 r1;
        R2 r2;

public R1 getR1() {
            return r1;
        }

public void setR1(R1 r1) {
            this.r1 = r1;
        }

public R2 getR2() {
            return r2;
        }

public void setR2(R2 r2) {
            this.r2 = r2;
        }

public Record(R1 r1, R2 r2) {
            this.r1 = r1;
            this.r2 = r2;
        }

@Override
        public String toString() {
            return "Record{" +
                    "r1=" + r1 +
                    ", r2=" + r2 +
                    '}';
        }

public static <R1, R2> Record<R1, R2> build(R1 r1, R2 r2) {
            return new Record(r1, r2);
        }
    }

public static enum JoinType {
        innerJoin, leftJoin
    }

public static interface Filter<R1, R2> {
        boolean accept(R1 r1, R2 r2);
    }

public static <R1, R2> List<Record<R1, R2>> join(List<R1> table1, List<R2> table2, JoinType joinType, Filter<R1, R2> onFilter, Filter<R1, R2> whereFilter) {
        if (Objects.isNull(table1) || Objects.isNull(table2) || joinType == null) {
            return new ArrayList<>();
        }

List<Record<R1, R2>> result = new CopyOnWriteArrayList<>();

for (R1 r1 : table1) {
            List<Record<R1, R2>> onceJoinResult = joinOn(r1, table2, onFilter);
            result.addAll(onceJoinResult);
        }

if (joinType == JoinType.leftJoin) {
            List<R1> r1Record = result.stream().map(Record::getR1).collect(Collectors.toList());
            List<Record<R1, R2>> leftAppendList = new ArrayList<>();
            for (R1 r1 : table1) {
                if (!r1Record.contains(r1)) {
                    leftAppendList.add(Record.build(r1, null));
                }
            }
            result.addAll(leftAppendList);
        }
        if (Objects.nonNull(whereFilter)) {
            for (Record<R1, R2> record : result) {
                if (!whereFilter.accept(record.r1, record.r2)) {
                    result.remove(record);
                }
            }
        }
        return result;
    }

public static <R1, R2> List<Record<R1, R2>> joinOn(R1 r1, List<R2> table2, Filter<R1, R2> onFilter) {
        List<Record<R1, R2>> result = new ArrayList<>();
        for (R2 r2 : table2) {
            if (Objects.nonNull(onFilter) ? onFilter.accept(r1, r2) : true) {
                result.add(Record.build(r1, r2));
            }
        }
        return result;
    }

@Test
    public void innerJoin() {
        List<Table1> table1 = Arrays.asList(Table1.build(1), Table1.build(2), Table1.build(3));
        List<Table2> table2 = Arrays.asList(Table2.build(3), Table2.build(4), Table2.build(5));

join(table1, table2, JoinType.innerJoin, null, null).forEach(System.out::println);
        System.out.println("-----------------");
        join(table1, table2, JoinType.innerJoin, (r1, r2) -> r1.a == r2.b, null).forEach(System.out::println);
    }

@Test
    public void leftJoin() {
        List<Table1> table1 = Arrays.asList(Table1.build(1), Table1.build(2), Table1.build(3));
        List<Table2> table2 = Arrays.asList(Table2.build(3), Table2.build(4), Table2.build(5));

join(table1, table2, JoinType.leftJoin, (r1, r2) -> r1.a == r2.b, null).forEach(System.out::println);
        System.out.println("-----------------");
        join(table1, table2, JoinType.leftJoin, (r1, r2) -> r1.a > 10, null).forEach(System.out::println);
    }

}
```

**代码中的`innerJoin()`方法模拟了下面的sql：**

mysql> select * from test1 t1,test2 t2 where t1.a = t2.b;
+------+------+
| a    | b    |
+------+------+
|    3 |    3 |
+------+------+
1 row in set (0.00 sec)
```

运行一下`innerJoin()`输出如下：

```java
Record{r1=Table1{a=1}, r2=Table2{b=3}}
Record{r1=Table1{a=1}, r2=Table2{b=4}}
Record{r1=Table1{a=1}, r2=Table2{b=5}}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=Table2{b=3}}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=Table2{b=4}}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=Table2{b=5}}
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=3}}
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=4}}
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=5}}
-----------------
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=3}}
```

对比一下sql和java的结果，输出的结果条数、数据基本上一致，唯一不同的是顺序上面不一样，**顺序为何不一致，稍微介绍**。

**代码中的`leftJoin()`方法模拟了下面的sql：**

运行`leftJoin()`，结果如下：

```java
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=3}}
Record{r1=Table1{a=1}, r2=null}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=null}
-----------------
Record{r1=Table1{a=1}, r2=null}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=null}
Record{r1=Table1{a=3}, r2=null}
```

效果和sql的效果完全一致，可以对上。

**现在我们来讨论java输出的顺序为何和sql不一致？**

> 上面java代码中两个表的连接查询使用了嵌套循环，外循环每执行一次，内循环的表都会全部遍历一次，如果放到mysql中，就相当于内表（被驱动表）全部扫描了一次（一次全表io读取操作），主表（外循环）如果有n条数据，那么从表就需要全表扫描n次，表的数据是存储在磁盘中，每次全表扫描都需要做io操作，io操作是最耗时间的，如果mysql按照上面的java方式实现，那效率肯定很低。

**那mysql是如何优化的呢？**

> msql内部使用了一个内存缓存空间，就叫他`join_buffer`吧，先把外循环的数据放到`join_buffer`中，然后对从表进行遍历，从表中取一条数据和`join_buffer`的数据进行比较，然后从表中再取第2条和`join_buffer`数据进行比较，直到从表遍历完成，使用这方方式来减少从表的io扫描次数，当`join_buffer`足够大的时候，大到可以存放主表所有数据，那么从表只需要全表扫描一次（即只需要一次全表io读取操作）。
>
> mysql中这种方式叫做`Block Nested Loop`。

**java代码改进一下，来实现join_buffer的过程。**

## java代码改进版本

```java
package com.itsoku.sql;

import org.junit.Test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.Objects;
import java.util.concurrent.CopyOnWriteArrayList;
import java.util.stream.Collectors;

import com.itsoku.sql.Test1.*;

public class Test2 {

public static int joinBufferSize = 10000;
    public static List<?> joinBufferList = new ArrayList<>();

List<Test1.Record<R1, R2>> result = new CopyOnWriteArrayList<>();

int table1Size = table1.size();
        int fromIndex = 0, toIndex = joinBufferSize;
        toIndex = Integer.min(table1Size, toIndex);
        while (fromIndex < table1Size && toIndex <= table1Size) {
            joinBufferList = table1.subList(fromIndex, toIndex);
            fromIndex = toIndex;
            toIndex += joinBufferSize;
            toIndex = Integer.min(table1Size, toIndex);

List<Record<R1, R2>> blockNestedLoopResult = blockNestedLoop((List<R1>) joinBufferList, table2, onFilter);
            result.addAll(blockNestedLoopResult);
        }

public static <R1, R2> List<Record<R1, R2>> blockNestedLoop(List<R1> joinBufferList, List<R2> table2, Filter<R1, R2> onFilter) {
        List<Record<R1, R2>> result = new ArrayList<>();
        for (R2 r2 : table2) {
            for (R1 r1 : joinBufferList) {
                if (Objects.nonNull(onFilter) ? onFilter.accept(r1, r2) : true) {
                    result.add(Record.build(r1, r2));
                }
            }
        }
        return result;
    }

执行`innerJoin()`，输出：

```
Record{r1=Table1{a=1}, r2=Table2{b=3}}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=Table2{b=3}}
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=3}}
Record{r1=Table1{a=1}, r2=Table2{b=4}}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=Table2{b=4}}
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=4}}
Record{r1=Table1{a=1}, r2=Table2{b=5}}
Record{r1=Table1{a=2}, r2=Table2{b=5}}
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=5}}
-----------------
Record{r1=Table1{a=3}, r2=Table2{b=3}}
```

执行`leftJoin()`，输出：

结果和sql的结果完全一致。

## 扩展

表连接中还可以使用前面学过的`group by`、`having`、`order by`、`limit`。

这些关键字相当于在表连接的结果上在进行操作，大家下去可以练习一下，加深理解。

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5. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247485167&idx=1&sn=48d75c8e93e748235a3547f34921dfb7&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">2021 版 java 高并发常见面试题汇总.pdf</a>
6. <a href="https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzkwOTAyMTY2NA==&mid=2247485664&idx=1&sn=435f9f515a8f881642820d7790ad20ce&scene=21#wechat_redirect" target="_blank">Idea 快捷键大全.pdf</a>

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