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【SQL】JOIN演算を体系的に理解する

2022/02/12に公開約8,600字

JOIN演算を体系的に理解する

なんとなく使用してしまっているJOIN演算について体系的に理解を深める。

JOINの分類


CROSS JOIN とは

CROSS JOINとは2つのテーブルの 直積(デカルト積) を指します。
後ほど紹介するINNER JOIN,OUTER JOINの理解を補助するために、まずは直積(デカルト積)について紹介します。

直積(デカルト積)

直積(デカルト積)とは、以下のように2つのテーブルのそれぞれの行をすべて結合して一つのテーブルにすることを言います。一方のテーブルの行数がM行、もう一方がN行とすると、結果は(M * N)行になります。

FROM A CROSS JOIN B

Table A       Table B       Result
+-------+     +-------+     +---------------+
| w | x |  *  | y | z |  =  | w | x | y | z |
+-------+     +-------+     +---------------+
| 1 | a |     | 2 | c |     | 1 | a | 2 | c |
| 2 | b |     | 3 | d |     | 1 | a | 3 | d |
+-------+     +-------+     | 2 | b | 2 | c |
                            | 2 | b | 3 | d |
                            +---------------+

また、CROSS JOINは、カンマを使用して暗黙的に記述できます。(カンマクロス結合)

FROM A, B

Table A       Table B       Result
+-------+     +-------+     +---------------+
| w | x |  *  | y | z |  =  | w | x | y | z |
+-------+     +-------+     +---------------+
| 1 | a |     | 2 | c |     | 1 | a | 2 | c |
| 2 | b |     | 3 | d |     | 1 | a | 3 | d |
+-------+     +-------+     | 2 | b | 2 | c |
                            | 2 | b | 3 | d |
                            +---------------+

[INNER] JOIN とは

[INNER] JOINは2つのテーブルの直積(デカルト積)を計算せずに内部結合を実行します
また、構文は一種類ですが、内部結合にはいくつかの種類があることをご存知でしょうか?

以下では、三種類の内部結合を引き合いに、ON句、USING句との関係について触れながら[INNER] JOIN の詳細を記述していきます。

3つの内部結合

θ結合(シータ結合)

上述のFROM A CROSS JOIN Bにより直積したテーブルを思い出してください。

θ結合のθとは比較演算子(=><等)のことで、直積したテーブルから2つの属性(列)X, Yを選択し、その2つの属性において、選択条件「X θ Y」が成立する行を取り出すことをいいます。

θ結合(A.w < B.y)

A, B(直積)                         Result
+-----------------------+          +-----------------------+
| A.w | A.x | B.y | B.z |    ->    | A.w | A.x | B.y | B.z |
+-----------------------+          +-----------------------+
|  1  |  a  |  2  |  c  |          |  1  |  a  |  2  |  c  |
|  1  |  a  |  3  |  d  |          |  1  |  a  |  3  |  d  | 
|  2  |  b  |  2  |  c  |          |  2  |  b  |  3  |  d  |
|  2  |  b  |  3  |  d  |          +-----------------------+  
+-----------------------+     

お気づきかもしれないですが、このθが、JOIN演算でおなじみON句で指定する結合条件にあたります。
ON句はWHERE句と同じ書式で結合条件を指定することが可能です。

FROM A [INNER] JOIN B ON w < y

Table A       Table B       (直積省略)              Result    
+-------+     +-------+     (+---------------+)     +---------------+
| w | x |  *  | y | z |  =  (| w | x | y | z |)  =  | w | x | y | z |
+-------+     +-------+     (+---------------+)     +---------------+ 
| 1 | a |     | 2 | c |     (| 1 | a | 2 | c |)     | 1 | a | 2 | c |  
| 2 | b |     | 3 | d |     (| 1 | a | 3 | d |)     | 1 | a | 3 | d |
+-------+     +-------+     (| 2 | b | 2 | c |)     | 2 | b | 3 | d |
                            (| 2 | b | 3 | d |)     +---------------+ 
                            (+---------------+)     

等結合

等結合とは、θ結合で指定する比較演算子に=を選択した結合のことをいいます。
つまり、on句のあとに2つの属性を=で指定したものといえます。ON句の活用においてはかなり一般的ですね。

等結合:θ結合(A.w = B.y)

A, B                               Result
+-----------------------+          +-----------------------+
| A.w | A.x | B.y | B.z |    ->    | A.w | A.x | B.y | B.z |
+-----------------------+          +-----------------------+
|  1  |  a  |  2  |  c  |          |  2  |  b  |  2  |  c  |
|  1  |  a  |  3  |  d  |          +-----------------------+
|  2  |  b  |  2  |  c  |
|  2  |  b  |  3  |  d  |               
+-----------------------+     

自然結合

直積の自然結合は、USING句を用いた[INNER] JOINにあたります。
つまり、自然結合とは等結合(θ=)で選択した2つの属性(列)から一方を削除したものです。

自然結合(A.w = B.y)

A, B                            θ結合:等結合(A.w = B.y)          Result
+-----------------------+        +-----------------------+        +-----------+
| A.w | A.x | B.y | B.z |   ->   | A.w | A.x | B.y | B.z |   ->   | A | B | C |
+-----------------------+        +-----------------------+        +-----------+
|  1  |  a  |  2  |  c  |        |  2  |  b  |  2  |  c  |        | 2 | b | c |
|  1  |  a  |  3  |  d  |        +-----------------------+        +-----------+
|  2  |  b  |  2  |  c  |
|  2  |  b  |  3  |  d  |               
+-----------------------+     
FROM A [INNER] JOIN B USING(w)

Table A       Table B       (直積省略)              Result    
+-------+     +-------+     (+---------------+)     +-----------+
| w | x |  *  | w | z |  =  (| w | x | w | z |)  =  | w | x | z |
+-------+     +-------+     (+---------------+)     +-----------+ 
| 1 | a |     | 2 | c |     (| 1 | a | 2 | c |)     | 2 | b | c |  
| 2 | b |     | 3 | d |     (| 1 | a | 3 | d |)     +-----------+
+-------+     +-------+     (| 2 | b | 2 | c |)     
                            (| 2 | b | 3 | d |)      
                            (+---------------+)     

まとめ

  • [INNER] JOINは2つのテーブルの直積(デカルト積)を計算せずに内部結合を実行している
  • θ結合とは、直積したテーブルから2つの属性(列)X, Yを選択し、その2つの属性において、選択条件「X θ Y」が成立する行を取り出す内部結合
    • θとは比較演算子(=,>,<等)を指す
    • ※ここでのθは、ON句で指定する結合条件にあたるもので、ON句はWHERE句と同じ書式で結合条件を指定することが可能
  • 等結合とは、θ結合の比較演算子を=で指定したもの
  • 自然結合とは、等結合から共通属性の一方を削除したものであり、直積を自然結合することは using句を用いた[INNER] JOINに該当する

OUTER JOIN とは

OUTER JOINとは外部結合のことで、FULL/RIGHT/LEFT [OUTER] JOINの三種類の構文が存在します。

外部結合とは、二つのテーブルからそれぞれ共通属性(列)を指定し、値が一致する行に関しては結合し、一致する値が存在しない行もそのまま抽出する(NULLを返す)ものをいい、三種類の構文いずれも上記の概念が基本です。(言語化が微妙すぎるので下記の具体例を参考ください、、)

三種類の構文について、具体例を用いながら記述します。

LEFT [OUTER] JOIN

おそらく三種類の中で最も使用頻度の高い構文だと思います。

LEFTは、左側のテーブルが基準となり外部結合します。
下記の例にあてると、

  • A(左側)が基準となり、問答無用にすべてのA(左側)の行は返される
    1. A(左側)とB(右側)の指定属性で一致する行に関しては結合
    2. A(左側)とB(右側)の指定属性で一致しない行に関してはB(右側)の行にNULLを返して結合
  • on句とusing句の違いに関しては上述した等結合と自然結合の違いと同様
FROM A LEFT OUTER JOIN B ON A.w = B.y

Table A       Table B       Result
+-------+     +-------+     +---------------------------+
| w | x |  *  | y | z |  =  | w    | x    | y    | z    |
+-------+     +-------+     +---------------------------+
| 1 | a |     | 2 | k |     | 1    | a    | NULL | NULL | <- 1
| 2 | b |     | 3 | m |     | 2    | b    | 2    | k    | <- 2
| 3 | c |     | 3 | n |     | 3    | c    | 3    | m    | <- 2
| 3 | d |     | 4 | p |     | 3    | c    | 3    | n    | <- 2
+-------+     +-------+     | 3    | d    | 3    | m    | <- 2
                            | 3    | d    | 3    | n    | <- 2
                            +---------------------------+

RIGHT [OUTER] JOIN

LEFT JOINと対になる構文です。
RIGHT JOINはメインテーブルがわかりづらいので基本は使用しないはずです。もしも僕のチームで誰かが意味なく使用していたらLEFT JOINに修正してもらいます。

FROM A RIGHT OUTER JOIN B ON A.w = B.y

Table A       Table B       Result
+-------+     +-------+     +---------------------------+
| w | x |  *  | y | z |  =  | w    | x    | y    | z    |
+-------+     +-------+     +---------------------------+
| 1 | a |     | 2 | k |     | 2    | b    | 2    | k    |
| 2 | b |     | 3 | m |     | 3    | c    | 3    | m    |
| 3 | c |     | 3 | n |     | 3    | c    | 3    | n    |
| 3 | d |     | 4 | p |     | 3    | d    | 3    | m    |
+-------+     +-------+     | 3    | d    | 3    | n    |
                            | NULL | NULL | 4    | p    |
                            +---------------------------+

FULL [OUTER] JOIN

完全外部結合といい、LEFT/RIGHTをあわせた構文になります。

上述した外部結合の説明がFULL [OUTER] JOINの説明にあたります。

二つのテーブルからそれぞれ共通属性(列)を指定し、値が一致する行に関しては結合し、一致する値が存在しない行もそのまま抽出する(NULLを返す)もの

FROM A FULL OUTER JOIN B ON A.w = B.y

Table A       Table B       Result
+-------+     +-------+     +---------------------------+
| w | x |  *  | y | z |  =  | w    | x    | y    | z    |
+-------+     +-------+     +---------------------------+
| 1 | a |     | 2 | k |     | 1    | a    | NULL | NULL |
| 2 | b |     | 3 | m |     | 2    | b    | 2    | k    |
| 3 | c |     | 3 | n |     | 3    | c    | 3    | m    |
| 3 | d |     | 4 | p |     | 3    | c    | 3    | n    |
+-------+     +-------+     | 3    | d    | 3    | m    |
                            | 3    | d    | 3    | n    |
                            | NULL | NULL | 4    | p    |
                            +---------------------------+

参考資料

Discussion

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