层次结构的数据库处理（译文）

原文地址：http://dev.mysql.com/tech-resources/articles/hierarchical-data.html

作者：Mike Hillyer

摘要：无限分级的树状结构往往很难处理，作者推荐“嵌套集合模型”方法，可以用简单的SQL完成树状数据的操作，避免了常用的邻接表模型的多次连接查询带来的巨大性能开销。

介绍

大部分的开发者都会遇到要在SQL数据库中处理层状数据的问题，也都知道关系数据库其实并不擅长此道。关系数据库中的表并不是层次状的（XML是层次结构），而是扁平的列表。层状数据中的父子关系无法在关系表中自然地表达。

层状数据是一个集合，集合当中的元素都有唯一的父节点和零个或多个的子节点（根节点除外，它无父节点）。层状数据广泛应用于数据库应用系统当中，包括了论坛、邮件列表、商业组织结构、内容管理分类和产品分类等。为了说明问题，我们使用一个虚拟的电子商店的产品分类层次作为例子。

这些产品分类形成一个层状结构，与上面提到的其他应用系统当中的结构类似。在这篇文章当中，我们将在 MySQL 中使用两种处理方式，先使用传统的邻接表模型。

邻接表模型

典型的做法下，范例中的分类数据将被存储于如下结构的表中（为了方便读者，我已经包含了完整的CREATE 和 INSERT 命令）

CREATE TABLE category(
category_id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
name VARCHAR(20) NOT NULL,
parent INT DEFAULT NULL);

INSERT INTO category
VALUES(1,'ELECTRONICS',NULL),(2,'TELEVISIONS',1),(3,'TUBE',2),
(4,'LCD',2),(5,'PLASMA',2),(6,'PORTABLE ELECTRONICS',1),
(7,'MP3 PLAYERS',6),(8,'FLASH',7),
(9,'CD PLAYERS',6),(10,'2 WAY RADIOS',6);

SELECT * FROM category ORDER BY category_id;

+-------------+----------------------+--------+
| category_id | name                 | parent |
+-------------+----------------------+--------+
|           1 | ELECTRONICS          |   NULL |
|           2 | TELEVISIONS          |      1 |
|           3 | TUBE                 |      2 |
|           4 | LCD                  |      2 |
|           5 | PLASMA               |      2 |
|           6 | PORTABLE ELECTRONICS |      1 |
|           7 | MP3 PLAYERS          |      6 |
|           8 | FLASH                |      7 |
|           9 | CD PLAYERS           |      6 |
|          10 | 2 WAY RADIOS         |      6 |
+-------------+----------------------+--------+
10 rows in set (0.00 sec)

在这种邻接表模式下，表中每一个节点都包含一个指向父节点的指针。这个例子中的最顶层的元素，其父节点为NULL。邻接表模式的优点是很简单，很容易看清父子关系，例如 Flash 是 MP3 PLAYERS（MP3播放器）的子节点，MP3 PLAYERS是PORTABLE ELECTRONICS（便携式电子设备）的子节点，PORTABLE ELECTRONICS 又是 ELECTRONICS （电子设备）的子节点。邻接表在客户端的代码上比较容易处理，但是后台的服务器要使用纯粹的SQL来工作是有问题的。

检索完整的树

处理层状数据时，首先遇到的常见任务是显示整个树，通常要求某种形式的缩进格式。使用SQL时一般的做法是采用自连接：

SELECT t1.name AS lev1, t2.name as lev2, t3.name as lev3, t4.name as lev4
FROM category AS t1
LEFT JOIN category AS t2 ON t2.parent = t1.category_id
LEFT JOIN category AS t3 ON t3.parent = t2.category_id
LEFT JOIN category AS t4 ON t4.parent = t3.category_id
WHERE t1.name = 'ELECTRONICS';

+-------------+----------------------+--------------+-------+
| lev1        | lev2                 | lev3         | lev4  |
+-------------+----------------------+--------------+-------+
| ELECTRONICS | TELEVISIONS          | TUBE         | NULL  |
| ELECTRONICS | TELEVISIONS          | LCD          | NULL  |
| ELECTRONICS | TELEVISIONS          | PLASMA       | NULL  |
| ELECTRONICS | PORTABLE ELECTRONICS | MP3 PLAYERS  | FLASH |
| ELECTRONICS | PORTABLE ELECTRONICS | CD PLAYERS   | NULL  |
| ELECTRONICS | PORTABLE ELECTRONICS | 2 WAY RADIOS | NULL  |
+-------------+----------------------+--------------+-------+
6 rows in set (0.00 sec)

查询所有的叶子节点

我们可以使用左连接（LEFT JOIN）查询来获得所有的叶子节点（叶子节点：无子节点的节点）

获得单条路径

自连接也可以获得一条完整的节点关系路径。

SELECT t1.name AS lev1, t2.name as lev2, t3.name as lev3, t4.name as lev4
FROM category AS t1
LEFT JOIN category AS t2 ON t2.parent = t1.category_id
LEFT JOIN category AS t3 ON t3.parent = t2.category_id
LEFT JOIN category AS t4 ON t4.parent = t3.category_id
WHERE t1.name = 'ELECTRONICS' AND t4.name = 'FLASH';

+-------------+----------------------+-------------+-------+
| lev1 | lev2 | lev3 | lev4 |
+-------------+----------------------+-------------+-------+
| ELECTRONICS | PORTABLE ELECTRONICS | MP3 PLAYERS | FLASH |
+-------------+----------------------+-------------+-------+
1 row in set (0.01 sec)

这中方法的主要局限是，你必须在每个层次上进行自连接，性能自然会随着复杂连接的增加而下降。

邻接表模型的局限

使用纯SQL来处理邻接表模型很难做到最好。如果要找到完整的路径，我们必须先知道其所在的层次。其次，还必须特别注意删除操作带来的整棵子树被孤儿化（例如删除 portable electronics 节点，其下的所有子节点都将变成孤儿节点）。可以通过客户端的代码或者存储过程来处理此类问题。通过程序语言处理，先从树的底层开始向上循环以取得整个树或者单条路径。在删除操作时，可以将子节点的层次提升以及重新排序子节点，让其指向新的父节点，以此来避免孤儿节点的产生。

嵌套集合模型

我在此文中推荐的模型采用一种不同的方法，通常称为“嵌套集合模型”。在此模型中，我们用另一种全新的方式来看层状数据，不再是节点与连线，而是层次嵌套的容器。试着画出我们的电子产品分类：

注意层次结构是怎样保持的，父类包裹着他们的子节点。我们通过为节点添加代表嵌套关系的左、右值，来将结构信息保存到表当中。

CREATE TABLE nested_category (
category_id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
name VARCHAR(20) NOT NULL,
lft INT NOT NULL,
rgt INT NOT NULL
);

INSERT INTO nested_category
VALUES(1,'ELECTRONICS',1,20),(2,'TELEVISIONS',2,9),(3,'TUBE',3,4),
(4,'LCD',5,6),(5,'PLASMA',7,8),(6,'PORTABLE ELECTRONICS',10,19),
(7,'MP3 PLAYERS',11,14),(8,'FLASH',12,13),
(9,'CD PLAYERS',15,16),(10,'2 WAY RADIOS',17,18);

SELECT * FROM nested_category ORDER BY category_id;

+-------------+----------------------+-----+-----+
| category_id | name                 | lft | rgt |
+-------------+----------------------+-----+-----+
|           1 | ELECTRONICS          |   1 | 20 |
|           2 | TELEVISIONS          |   2 |   9 |
|           3 | TUBE                 |   3 |   4 |
|           4 | LCD                  |   5 |   6 |
|           5 | PLASMA               |   7 |   8 |
|           6 | PORTABLE ELECTRONICS | 10 | 19 |
|           7 | MP3 PLAYERS          | 11 | 14 |
|           8 | FLASH                | 12 | 13 |
|           9 | CD PLAYERS           | 15 | 16 |
|          10 | 2 WAY RADIOS         | 17 | 18 |
+-------------+----------------------+-----+-----+

因为 left 和 right 在MySQL当中是保留字，我们使用 lft 和 rgt 来分别表示。（有关MySQL的保留字的全部信息，请参考 http://dev.mysql.com/doc/mysql/en/reserved-words.html ）

那我们如何决定左、右值呢？我们从最左边开始向右，为各个集合的边界标上数字编号，如下图：

这个编号设计套用在树形图上如下：

当我们对树形结构编号时，从左向右，一次一层，每个节点左边编号后，紧接着向其下层子节点编号，然后再为节点的右边编号。这个方法被称为改进的“前序遍历树算法”。

取得整个树

基于子节点的 lft 值始终位于其父节点的 lft 和 rgt 值之间的原理，使用自连接的SQL即可取得整棵树。

不像以前的邻接表模型的例子，这个查询工作时不关心树的深度问题。在查询语句的 Between 子句中我们不关心节点的 rgt 值，因为 rgt 值总是落在同一父节点中，就像 lft 值一样。

查询所有叶节点

在当前的模型下，查询叶节点比邻接表模型中的 LEFT JOIN 方法更简单。查看 nested_category 表，注意到叶节点的特征是其左右值是连续的，所以只需查询 rgt = lft + 1 的节点即可。

SELECT name
FROM nested_category
WHERE rgt = lft + 1;

+--------------+
| name         |
+--------------+
| TUBE         |
| LCD          |
| PLASMA       |
| FLASH        |
| CD PLAYERS   |
| 2 WAY RADIOS |
+--------------+

取得单条路径

嵌套集合模型下，无需使用多个自连接，代码：

查询节点的深度

我们已经可以显示整棵树了，如果我们想获得节点的深度以便更好地识别其在层次结构中的位置，该如何做呢？这可以通过添加一个 COUNT 函数和 GROUP BY 子句实现：

SELECT node.name, (COUNT(parent.name) - 1) AS depth
FROM nested_category AS node,
nested_category AS parent
WHERE node.lft BETWEEN parent.lft AND parent.rgt
GROUP BY node.name
ORDER BY node.lft;

+---------------------------+-------+
| name                               | depth |
+---------------------------+-------+
| ELECTRONICS                  |     0    |
| TELEVISIONS                   |     1    |
| TUBE                               |     2    |
| LCD                                 |     2    |
| PLASMA                           |     2    |
| PORTABLE ELECTRONICS |     1    |
| MP3 PLAYERS                   |     2    |
| FLASH                             |     3    |
| CD PLAYERS                    |     2    |
| 2 WAY RADIOS                |     2    |
+---------------------------+-------+

我们可以使用CONCAT、REPEAT 函数对深度数值操作来缩进我们的分类名称，形成树状层次形式。

当然，在客户端程序当中，你可能会直接利用深度值来显示层次结构。Web 开发者可以循环处理这个结果表，根据深度值的不同添加 <li></li> 和 <ul></ul> 等标记来形成树状样式。

子树的深度

当我们需要子树的深度信息时，我们在自连接中不能限制节点或者父表，因为这会破坏查询结果。我们可以换一种做法，通过添加第三个自连接，和一个子查询，以获得我们子树的新起点。

SELECT node.name, (COUNT(parent.name) - (sub_tree.depth + 1)) AS depth
FROM nested_category AS node,
	nested_category AS parent,
	nested_category AS sub_parent,
	(
		SELECT node.name, (COUNT(parent.name) - 1) AS depth
		FROM nested_category AS node,
		nested_category AS parent
		WHERE node.lft BETWEEN parent.lft AND parent.rgt
		AND node.name = 'PORTABLE ELECTRONICS'
		GROUP BY node.name
		ORDER BY node.lft
	)AS sub_tree
WHERE node.lft BETWEEN parent.lft AND parent.rgt
	AND node.lft BETWEEN sub_parent.lft AND sub_parent.rgt
	AND sub_parent.name = sub_tree.name
GROUP BY node.name
ORDER BY node.lft;


+----------------------+-------+
| name                 | depth |
+----------------------+-------+
| PORTABLE ELECTRONICS |     0 |
| MP3 PLAYERS          |     1 |
| FLASH                |     2 |
| CD PLAYERS           |     1 |
| 2 WAY RADIOS         |     1 |
+----------------------+-------+

这个方法中可以使用任何节点的name，包括根节点。深度值总能根据 name 获取到。

查找直接的下级节点

假设我们想在一个零售商的网站上显示电子产品的分类。当一个用户点击一个类别时，你想给他显示该类别下的产品，并且显示其直接的子类别，而不是该类下所有的子树，不需要搜索所有的子孙。例如，当点击 PORTABLE ELECTRONICS 时，我们想展示 MP3 PLAYERS, CD PLAYERS, 和 2 WAY RADIOS，但是不包括 FLASH.

可以通过给以前的查询添加 HAVING 子句来实现：

SELECT node.name, (COUNT(parent.name) - (sub_tree.depth + 1)) AS depth
FROM nested_category AS node,
nested_category AS parent,
nested_category AS sub_parent,
(
SELECT node.name, (COUNT(parent.name) - 1) AS depth
FROM nested_category AS node,
nested_category AS parent
WHERE node.lft BETWEEN parent.lft AND parent.rgt
AND node.name = 'PORTABLE ELECTRONICS'
GROUP BY node.name
ORDER BY node.lft
)AS sub_tree
WHERE node.lft BETWEEN parent.lft AND parent.rgt
AND node.lft BETWEEN sub_parent.lft AND sub_parent.rgt
AND sub_parent.name = sub_tree.name
GROUP BY node.name
HAVING depth <= 1
ORDER BY node.lft;

+---------------------------+-------+
| name                               | depth |
+---------------------------+-------+
| PORTABLE ELECTRONICS |     0    |
| MP3 PLAYERS                   |     1    |
| CD PLAYERS                    |     1    |
| 2 WAY RADIOS                |     1    |
+---------------------------+-------+

如果不像显示父节点，将 HAVING depth <= 1 修改为 HAVING depth = 1.

在嵌套模型当中使用聚合函数

我们添加一个表以便示范聚合函数的用法

CREATE TABLE product(
product_id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY,
name VARCHAR(40),
category_id INT NOT NULL
);

INSERT INTO product(name, category_id) VALUES('20" TV',3),('36" TV',3),
('Super-LCD 42"',4),('Ultra-Plasma 62"',5),('Value Plasma 38"',5),
('Power-MP3 5gb',7),('Super-Player 1gb',8),('Porta CD',9),('CD To go!',9),
('Family Talk 360',10);

SELECT * FROM product;

+------------+-------------------+-------------+
| product_id | name                      | category_id |
+------------+-------------------+-------------+
|          1 | 20" TV                            |           3 |
|          2 | 36" TV                            |           3 |
|          3 | Super-LCD 42"                |           4 |
|          4 | Ultra-Plasma 62"              |           5 |
|          5 | Value Plasma 38"             |           5 |
|          6 | Power-MP3 128mb           |           7 |
|          7 | Super-Shuffle 1gb           |           8 |
|          8 | Porta CD                        |           9 |
|          9 | CD To go!                      |           9 |
|         10 | Family Talk 360              |          10 |
+------------+-------------------+-------------+

现在我们写一个获取产品分类树的查询，并统计每样产品的数量：

SELECT parent.name, COUNT(product.name)
FROM nested_category AS node ,
nested_category AS parent,
product
WHERE node.lft BETWEEN parent.lft AND parent.rgt
AND node.category_id = product.category_id
GROUP BY parent.name
ORDER BY node.lft;


+----------------------+---------------------+
| name                 | COUNT(product.name) |
+----------------------+---------------------+
| ELECTRONICS          |                  10 |
| TELEVISIONS          |                   5 |
| TUBE                 |                   2 |
| LCD                  |                   1 |
| PLASMA               |                   2 |
| PORTABLE ELECTRONICS |                   5 |
| MP3 PLAYERS          |                   2 |
| FLASH                |                   1 |
| CD PLAYERS           |                   2 |
| 2 WAY RADIOS         |                   1 |
+----------------------+---------------------+

这就是我们典型的包含 COUNT 和 GROUP BY 的完整树查询，在 WHERE 子句中有指向产品表的引用和树节点与产品表的连接。正如你所见，这个统计包含每个类别数量统计，并且每个类别也都包含了其子类的统计值。

添加新节点

现在知道了如何查询这个树，我们将继续看看如何通过添加节点更新它。请再看看我们的嵌套集合模型：

如果我们想在 TELEVISIONS 和 PORTABLE ELECTRONICS 节点之间添加新节点，新节点的左右值将分别是 10 和 11。添加此节点，则其右边的所有节点的左右值都必须加2。这个过程可以通过 MySQL 5 的存储过程完成。我假设大部分读者现在还在使用4.1版，这是最后一个稳定的MySQL版本（译者：此文章较早，现在5.0 以后的版本早已稳定）。所以我还是使用一个独立的查询，以 LOCK TABLES 命令代替:

LOCK TABLE nested_category WRITE;

SELECT @myRight := rgt FROM nested_category
WHERE name = 'TELEVISIONS';

UPDATE nested_category SET rgt = rgt + 2 WHERE rgt > @myRight;
UPDATE nested_category SET lft = lft + 2 WHERE lft > @myRight;

INSERT INTO nested_category(name, lft, rgt) VALUES('GAME CONSOLES', @myRight + 1, @myRight + 2);

UNLOCK TABLES;

We can then check our nesting with our indented tree query:

SELECT CONCAT( REPEAT( ' ', (COUNT(parent.name) - 1) ), node.name) AS name
FROM nested_category AS node,
nested_category AS parent
WHERE node.lft BETWEEN parent.lft AND parent.rgt
GROUP BY node.name
ORDER BY node.lft;


+-----------------------+
| name                  |
+-----------------------+
| ELECTRONICS           |
|  TELEVISIONS          |
|   TUBE                |
|   LCD                 |
|   PLASMA              |
|  GAME CONSOLES        |
|  PORTABLE ELECTRONICS |
|   MP3 PLAYERS         |
|    FLASH              |
|   CD PLAYERS          |
|   2 WAY RADIOS        |
+-----------------------+

如果要为叶节点添加子节点，则需要对代码稍作修改。此处我们添加给 2 WAY RADIOS 节点下添加一个新的 FRS 节点：

LOCK TABLE nested_category WRITE;

SELECT @myLeft := lft FROM nested_category

WHERE name = '2 WAY RADIOS';

UPDATE nested_category SET rgt = rgt + 2 WHERE rgt > @myLeft;
UPDATE nested_category SET lft = lft + 2 WHERE lft > @myLeft;

INSERT INTO nested_category(name, lft, rgt) VALUES('FRS', @myLeft + 1, @myLeft + 2);

UNLOCK TABLES;

在这个例子中，我们对新的父节点的左值以右的所有 lft、rgt 值都进行了增加，然后将我们的新节点放置在此父节点左值的右边，现在我们的新节点已经正确嵌套了：

删除节点

最后一个基本任务是节点的移除。此动作的过程决定于节点的位置。删除叶节点比其它节点容易，其他节点需要考虑节点孤儿化的问题。

删除叶节点时，与添加的过程相反：

LOCK TABLE nested_category WRITE;

SELECT @myLeft := lft, @myRight := rgt, @myWidth := rgt - lft + 1
FROM nested_category
WHERE name = 'GAME CONSOLES';

DELETE FROM nested_category WHERE lft BETWEEN @myLeft AND @myRight;

UPDATE nested_category SET rgt = rgt - @myWidth WHERE rgt > @myRight;
UPDATE nested_category SET lft = lft - @myWidth WHERE lft > @myRight;

UNLOCK TABLES;

运行完毕后，我们再检查一次缩进的树，确认一下我们的删除动作是否破坏了层次结构：

下面的方法可以删除节点及其所有子节点：

LOCK TABLE nested_category WRITE;

SELECT @myLeft := lft, @myRight := rgt, @myWidth := rgt - lft + 1
FROM nested_category
WHERE name = 'MP3 PLAYERS';

DELETE FROM nested_category WHERE lft BETWEEN @myLeft AND @myRight;

UPDATE nested_category SET rgt = rgt - @myWidth WHERE rgt > @myRight;
UPDATE nested_category SET lft = lft - @myWidth WHERE lft > @myRight;

UNLOCK TABLES;

我们再检查一下删除子树是否成功：

在另一个情况下，我们只想删除父节点，但是并不想删除其下的子节点。有时候也许只需要将节点的名字修改为一个占位符，以便以后替换，例如一个主管被解雇了。

有些情况是，父节点被删除，子节点将被移动到这个被删除的父节点的层次上：

LOCK TABLE nested_category WRITE;

SELECT @myLeft := lft, @myRight := rgt, @myWidth := rgt - lft + 1
FROM nested_category
WHERE name = 'PORTABLE ELECTRONICS';

DELETE FROM nested_category WHERE lft = @myLeft;

UPDATE nested_category SET rgt = rgt - 1, lft = lft - 1 WHERE lft BETWEEN @myLeft AND @myRight;
UPDATE nested_category SET rgt = rgt - 2 WHERE rgt > @myRight;
UPDATE nested_category SET lft = lft - 2 WHERE lft > @myRight;

UNLOCK TABLES;

我们再检查一次以确认节点是否被提升层次：

其他的情况还包括删除父节点后，提升一个子节点当父节点，其他兄弟节点被移动到新的父节点下。因篇幅关系，此文不再赘述。

最后的思考

希望这篇文章对读者有用，SQL的嵌套集合的概念已有超过10年的历史了，还有一些更进一步的信息可以在一些专著和网络上找到。就我的理解，处理层状数据模型最有价值的专著是 Joe Celko's Trees and Hierarchies in SQL for Smarties ，作者是高级SQL领域里很受尊敬的Joe Celko，他是一位多产和备受赞誉的技术作者。Celko 的专著对我的研究和学习来说是无价之宝，我极力推荐。他的书中也包含了其他很多高级主题，本文并未涉及，包括邻接表、嵌套集合以外的其他处理层状数据的方法。

在参考文献和资源部分，我列出了一些Web资源，也许对于读者研究层状数据的处理会有帮助，包括一套PHP的处理MySQL嵌套模型的库。在 Storing Hierarchical Data in a Database 等文章当中也可以找到一些在两种方法之间进行转换的代码。

posted on 2010-03-10 16:37 精思入神阅读(4058) 评论(10) 编辑收藏举报

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