關(guān)系數(shù)據(jù)模型于 1970 年推出，并已占據(jù)主導(dǎo)地位 50 年。它為什么如此成功？這要?dú)w功第一性原理和布什內(nèi)爾定律。

1971 年 3 月，英特爾推出世界上第一款通用微處理器——英特爾 4004。它有約 2300 個(gè)晶體管，售價(jià) 60 美元。

時(shí)間快進(jìn)到 50 年后，最新的 iPhone 有將近 120 億個(gè)晶體管（但價(jià)格僅為 60 美元多一點(diǎn)）。

我們今天使用的許多編程語(yǔ)言直到 90 年代才推出（Java 是在 1996 年推出的）。不過(guò)，有一種編程語(yǔ)言現(xiàn)在仍然像近 50 年前推出時(shí)一樣流行：SQL。本文將討論關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生的背景、SQL 為什么越來(lái)越流行，以及我們可以從它的成功中學(xué)到什么。

早期數(shù)據(jù)庫(kù)管理的歷史—IDS 和 CODASYL

1962 年，查爾斯·w·巴赫曼（與埃利希·巴赫曼沒(méi)有關(guān)系）是通用電氣一個(gè)小團(tuán)隊(duì)的一員。一年后，巴赫曼團(tuán)隊(duì)推出了后來(lái)被公認(rèn)為第一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的集成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)（IDS）。

10 年后，巴赫曼獲得圖靈獎(jiǎng)（通常被稱為計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域的諾貝爾獎(jiǎng)），以表彰他對(duì) IDS 計(jì)算的貢獻(xiàn)。

IDS 是什么？

在 20 世紀(jì) 60 年代早期，計(jì)算機(jī)科學(xué)剛開(kāi)始成為一個(gè)學(xué)術(shù)領(lǐng)域。ASCII 直到 1963 年才推出。

要理解 IDS，我們必須首先理解促成其發(fā)展的兩大驅(qū)動(dòng)力：

• 磁盤(pán)存儲(chǔ)的推出

• 向高級(jí)編程語(yǔ)言的遷移

磁盤(pán)存儲(chǔ)

1956 年，IBM 推出第一款商用硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器——RAMAC 305。磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的引入使得程序員可以直接跳轉(zhuǎn)到磁盤(pán)上的某個(gè)位置進(jìn)行數(shù)據(jù)檢索和更新。與其前身磁帶驅(qū)動(dòng)器相比，這是一個(gè)巨大的改進(jìn)，后者需要在磁帶上順序移動(dòng)來(lái)檢索特定的數(shù)據(jù)片段。

但是現(xiàn)在，開(kāi)發(fā)人員必須找出記錄在磁盤(pán)上存儲(chǔ)的位置。由于早期操作系統(tǒng)中文件管理系統(tǒng)的局限性，這是一項(xiàng)只有有經(jīng)驗(yàn)的程序員才能完成的高級(jí)任務(wù)。開(kāi)發(fā)人員需要一種解決方案來(lái)簡(jiǎn)化磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器的使用。

高級(jí)編程

與此同時(shí)，在采用曲線上，計(jì)算機(jī)科學(xué)開(kāi)始從創(chuàng)新者轉(zhuǎn)變?yōu)樵缙诓捎谜?。像匯編這樣的低級(jí)編程語(yǔ)言早期在學(xué)術(shù)界很流行，但是出于易用性考慮，普通程序員開(kāi)始轉(zhuǎn)向高級(jí)編程語(yǔ)言，比如 COBOL。

那么什么是 IDS 呢？IDS 解決了磁盤(pán)存儲(chǔ)和高級(jí)編程問(wèn)題。IDS 允許開(kāi)發(fā)人員使用高級(jí)編程語(yǔ)言（如 COBOL）來(lái)構(gòu)建從磁盤(pán)存儲(chǔ)輸入和檢索數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序。由于這個(gè)功能，IDS 獲得了第一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的殊榮。

CODASYL：一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的新標(biāo)準(zhǔn)

1969 年，數(shù)據(jù)系統(tǒng)語(yǔ)言委員會(huì)（CODASYL）發(fā)布了一份報(bào)告，提出一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理標(biāo)準(zhǔn)。巴赫曼是委員會(huì)的一員，該報(bào)告主要參照了 IDS。

CODASYL 數(shù)據(jù)模型引入了許多我們今天使用的數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)的核心特性：

• 模式

• 數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言（DDL）

• 數(shù)據(jù)操作語(yǔ)言（DML）

最重要的是，IDS 和 CODASYL 引入了一種新的數(shù)據(jù)建模方法，這種方法影響了 SQL 的最終開(kāi)發(fā)——網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型——比如今的關(guān)系模型更好？

數(shù)據(jù)模型是一種描述（模型）世界（數(shù)據(jù)）的標(biāo)準(zhǔn)化方法。

前面的層次數(shù)據(jù)模型使用樹(shù)型結(jié)構(gòu)來(lái)描述數(shù)據(jù)，但是這些樹(shù)型結(jié)構(gòu)僅限于一對(duì)多的關(guān)系。新的網(wǎng)絡(luò)模型允許記錄有多條父記錄，從而創(chuàng)建一個(gè)圖結(jié)構(gòu)。通過(guò)支持多個(gè)父節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)模型能夠?qū)Χ鄬?duì)一和多對(duì)多關(guān)系進(jìn)行建模。

在網(wǎng)絡(luò)模型中，表之間的關(guān)系存儲(chǔ)在集合中。每個(gè)集合都有一個(gè)所有者（即教師）和一個(gè)或多個(gè)成員（即班級(jí)和學(xué)生）。

網(wǎng)絡(luò)模型的其中一個(gè)主要好處是，集合中的相關(guān)記錄是通過(guò)指針直接連接的。集合是使用 next、prior 和 owner 指針實(shí)現(xiàn)的，這樣就可以像鏈表一樣輕松遍歷。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型的低級(jí)特性提供了性能優(yōu)勢(shì)，但也付出了代價(jià)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型增加了存儲(chǔ)成本，因?yàn)槊總€(gè)記錄都必須額外存儲(chǔ)指向前一條記錄和父記錄的指針。

關(guān)系模型的到來(lái)

1970 年，在 IDS 誕生 8 年后，Edgar F. Codd 在他的開(kāi)創(chuàng)性論文《A relational model of Data for Large Shared Data Banks》中引入關(guān)系模型（這也為他贏得了圖靈獎(jiǎng)）。

Codd 指出，數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有數(shù)據(jù)都可以用元組（SQL 中的行）表示，這些元組被分組成關(guān)系（SQL 中的表）。為描述數(shù)據(jù)庫(kù)查詢，他發(fā)明了一種一階謂詞邏輯的形式，稱為元組關(guān)系演算。

元組關(guān)系演算引入了一種聲明性語(yǔ)言用于查詢數(shù)據(jù)。使用聲明性編程語(yǔ)言，程序員只需說(shuō)明他們想做什么，而不必描述如何做。

對(duì)開(kāi)發(fā)人員來(lái)說(shuō)，這種新的聲明性語(yǔ)言更容易使用。關(guān)系模型公開(kāi)了所有數(shù)據(jù)。開(kāi)發(fā)人員可以用一條命令，從一個(gè)表中檢索所有數(shù)據(jù)或者讀取一行數(shù)據(jù)。

在指針迷宮中查找數(shù)據(jù)的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。

關(guān)系數(shù)據(jù)模型 vs 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)通過(guò)數(shù)據(jù)規(guī)范化降低了網(wǎng)絡(luò)型數(shù)據(jù)庫(kù)的高昂存儲(chǔ)成本。規(guī)范化是一個(gè)分解表以消除冗余的過(guò)程，可以減少磁盤(pán)占用。

然而，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)增加了 CPU 成本。為了處理規(guī)范化數(shù)據(jù)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)必須將表加載到內(nèi)存中，并使用計(jì)算能力將表“連接”在一起。讓我們通過(guò)一個(gè)例子來(lái)看下這個(gè)過(guò)程：在一個(gè)關(guān)系模型中，給定老師，查找所有的班級(jí)和學(xué)生。

首先，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)執(zhí)行一個(gè)操作來(lái)檢索所有相關(guān)的班級(jí)。然后，它將執(zhí)行第二個(gè)操作來(lái)檢索學(xué)生數(shù)據(jù)。所有這些數(shù)據(jù)都將存儲(chǔ)在內(nèi)存中，在返回結(jié)果前，它將運(yùn)行第三個(gè)操作來(lái)合并數(shù)據(jù)。

在一個(gè)使用真實(shí)數(shù)據(jù)的性能案例研究中，Raima 發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)模型的插入性能好 23 倍，查詢性能快 123 倍。

那么為什么關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)成為領(lǐng)先的數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案？

易用性

關(guān)系模型更容易修改，它的聲明性語(yǔ)法簡(jiǎn)化了程序員的工作。

摩爾定律在背后發(fā)揮了神奇作用。計(jì)算成本持續(xù)下降，最終，生產(chǎn)力的提高抵消了關(guān)系模型所增加的計(jì)算成本。

快進(jìn) 50 年，現(xiàn)在，數(shù)據(jù)中心中最昂貴的資源是 CPU。

SQL 崛起

最后，我們迎來(lái)了大家都喜歡的 SQL。

在 Codd 的論文發(fā)表 4 年后，Donald Chamberlin 和 Raymond Boyce 發(fā)表了《SEQUEL: A Structured English Query Language》。

他們將 SEQUEL 描述為“一組關(guān)于表格結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單操作，[…] 和一階謂詞演算同樣強(qiáng)大?！盜BM 看到其潛力，并在 20 世紀(jì) 70 年代早期迅速開(kāi)發(fā)出 SEQUEL 的第一個(gè)版本，作為其 System R 項(xiàng)目的一部分。

由于與英國(guó) Hawker Siddeley 飛機(jī)公司的商標(biāo)問(wèn)題，其名稱后來(lái)改為 SQL。

SQL 的下一個(gè)大發(fā)展是在近十年后。1986 年，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ANSI）和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布第一個(gè)官方 SQL 標(biāo)準(zhǔn)：SQL-86。該標(biāo)準(zhǔn)將 SQL 分為以下幾個(gè)部分：

• 數(shù)據(jù)定義語(yǔ)言（DDL）：此類(lèi)命令用于定義和修改模式及關(guān)系；

• 數(shù)據(jù)操作語(yǔ)言（DML）：此類(lèi)命令用于查詢、插入和刪除數(shù)據(jù)庫(kù)信息；

• 事務(wù)控制：此類(lèi)命令用于指定事務(wù)的時(shí)間；

• 完整性：此類(lèi)命令用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)信息設(shè)置約束；

• 視圖：此類(lèi)命令用于定義視圖；

• 授權(quán)：此類(lèi)命令用于指定可以訪問(wèn)的用戶；

• 嵌入式 SQL：此類(lèi)命令用于具體說(shuō)明如何將 SQL 嵌入其他語(yǔ)言。

SQL 的競(jìng)爭(zhēng)者

從 1974 年到今天，有許多競(jìng)爭(zhēng)者試圖從 SQL 統(tǒng)治的查詢語(yǔ)言市場(chǎng)中搶占市場(chǎng)份額。通常，這些新語(yǔ)法是針對(duì)特定的新技術(shù)：

• Lisp ->CLSQL

• .NET ->LINQ

• Ruby on Rails ->ActiveRecord

35 年過(guò)去了，在數(shù)據(jù)庫(kù)中，SQL 仍然無(wú)處不在。SQL 作為一種查詢語(yǔ)言是如何保持統(tǒng)治地位的？我們可以從它的故事中學(xué)到什么？

SQL 統(tǒng)治市場(chǎng) 50 年的秘密

Stack Overflow 開(kāi)發(fā)者調(diào)查，2017

在文章開(kāi)頭，我們首先介紹了巴赫曼推出的第一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng) IDS。我們討論了為什么磁盤(pán)存儲(chǔ)和高級(jí)編程需要一種處理數(shù)據(jù)的新方法。然后，CODASYL 來(lái)了，規(guī)范了數(shù)據(jù)庫(kù)管理。IDS 和 CODASYL 引入了新的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型，而最終，Codd 投下了關(guān)系模型。

這個(gè)過(guò)程持續(xù)了 8 年。

SQL 是如何在接下來(lái)的 50 年里堅(jiān)持下去的呢？我認(rèn)為主要有四個(gè)原因：

• 基于第一性原則構(gòu)建

• 布什內(nèi)爾定律

• 傾聽(tīng)和調(diào)整

• 采用 API

基于第一性原則構(gòu)建

第一性原則是一個(gè)基本命題，它不能從任何其他命題或假設(shè)中推導(dǎo)出來(lái)。例如，將碳?xì)浠衔锱c氧氣結(jié)合，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。這仍然是驅(qū)動(dòng)每一輛車(chē)的內(nèi)燃機(jī)原理。

1970 年，Codd 為數(shù)據(jù)庫(kù)創(chuàng)建了一個(gè)新的第一性原則：元組關(guān)系演算。這個(gè)新創(chuàng)建的邏輯引出了關(guān)系模型，然后引出 SQL。元組關(guān)系演算是化學(xué)反應(yīng)，關(guān)系模型是內(nèi)燃機(jī)，SQL 是汽車(chē)。

布什內(nèi)爾定律

僅僅建立在第一性原則上并不能保證其成功。匯編是程序員所能做到的最接近輸入 1 和 0 的程序，但它仍然被 COBOL（后來(lái)是 C）所取代。

它缺少的一個(gè)關(guān)鍵要素是可用性。

從網(wǎng)絡(luò)模型到關(guān)系模型的轉(zhuǎn)換，我們看到同樣的情況。網(wǎng)絡(luò)模型性能更好，但是現(xiàn)在每個(gè)公司都在使用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，因?yàn)樗苋菀祝ㄈ胧郑?/p>

最好的游戲易于學(xué)習(xí)而難于精通?！狝tari 創(chuàng)始人諾蘭·布什內(nèi)爾

諾蘭·布什內(nèi)爾知道如何讓人們使用新產(chǎn)品。但遺憾的是，匯編既難學(xué)又難精通。

SQL 找到了完美的平衡。10 個(gè)左右的 SQL 命令，任何人都可以學(xué)會(huì)其中的 20%，并完成 80% 的工作。但是要想精通，需要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的積累，具備豐富的索引、視圖和優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)。

傾聽(tīng)和調(diào)整

查詢語(yǔ)言不是一塊永恒的巨石，而是一組隨時(shí)間變化的自適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。隨著時(shí)間的推移，SQL 標(biāo)準(zhǔn)一直在不斷調(diào)整，并加入了來(lái)自用戶的反饋。

從概念最初提出開(kāi)始，我們看到了 10 種不同的 SQL 標(biāo)準(zhǔn)，它們都有重要的更新。以下是三項(xiàng)比較大的：

• SQL:1999：添加了正則表達(dá)式匹配、遞歸查詢（例如傳遞閉包）、觸發(fā)器、對(duì)過(guò)程語(yǔ)句和流控制語(yǔ)句的支持、非標(biāo)量類(lèi)型（數(shù)組）和一些面向?qū)ο蟮奶匦裕ɡ缃Y(jié)構(gòu)化類(lèi)型）。支持在 Java 中嵌入 SQL（SQL/OLB），反之亦然（SQL/JRT）。

• SQL:2003：引入了與 XML 相關(guān)的特性（SQL/XML）、窗口函數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)化序列和自動(dòng)生成值的列（包括標(biāo)識(shí)列）。

• SQL:2016：添加行模式匹配、多態(tài)表函數(shù)、JSON。

SQL 語(yǔ)法不是強(qiáng)制性的，它只是提供了一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)準(zhǔn)，每種數(shù)據(jù)庫(kù)都可以創(chuàng)建它們自己的實(shí)現(xiàn)（T-SQL、MySQL、PSQL 等）。

采用 API

SQL 成功的最后一個(gè)秘密是應(yīng)用程序編程接口（API）的興起。API 通過(guò)抽象底層實(shí)現(xiàn)，只公開(kāi)開(kāi)發(fā)人員需要的對(duì)象或操作，簡(jiǎn)化了編程。

API 讓 SQL 可以使用專(zhuān)門(mén)的語(yǔ)法適應(yīng)新技術(shù)的發(fā)展。2006 年，Hadoop 引入分布式文件系統(tǒng)（HDFS），SQL 語(yǔ)法最初是無(wú)法訪問(wèn)該系統(tǒng)的。然后，在 2013 年，Apache 創(chuàng)建了 Apache Impala，它允許開(kāi)發(fā)人員使用 SQL 查詢 HDFS 數(shù)據(jù)庫(kù)。

小結(jié)

SQL 是當(dāng)今最普遍的編程語(yǔ)言之一，但我們經(jīng)常忘記它的歷史有多久了。它的旅程開(kāi)始于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的黎明，由 2 位圖靈獎(jiǎng)獲得者賦予了它生命。對(duì)于為什么 SQL 能夠保持其主導(dǎo)地位，我已經(jīng)分享了我的看法：第一性原則、布什內(nèi)爾定律、調(diào)整和 API。您認(rèn)為促成 SQL 成功的主要因素是什么？請(qǐng)給我留言。

還有一項(xiàng) 50 年來(lái)都沒(méi)有改變的技術(shù)。

SQL 編輯器

隨著越來(lái)越多的人學(xué)習(xí) SQL，數(shù)據(jù)庫(kù)使用越來(lái)越需要協(xié)作。如今，開(kāi)發(fā)人員可能會(huì)與營(yíng)銷(xiāo)團(tuán)隊(duì)的成員一起分析用戶數(shù)據(jù)，或者與數(shù)據(jù)科學(xué)家一起調(diào)試查詢，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了越來(lái)越多基于SQL編輯器的各類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具，如 Navicat、DBeaver、DataGrip等。

而隨著云的趨勢(shì)，又有一批新型數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具登上舞臺(tái)，如CloudQuery。CloudQuery作為一體化數(shù)據(jù)管控云平臺(tái)，不僅僅作為一款SQL編輯器使用，更集成了開(kāi)發(fā)者和 DBA 日常所需各種數(shù)據(jù)工具，致力于將SQL數(shù)據(jù)操作體驗(yàn)做到極致。

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