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《PostgreSQL 开发指南》第 13 篇 分组汇总

原创 数据库开发技术 作者：BUAA_dxy 时间：2022-03-06 20:49:35 0 删除 编辑

聚合函数

聚合函数（aggregate function）针对一组数据行进行运算，并且返回一条结果。PostgreSQL 支持以下常见的聚合函数：

  • AVG - 计算一组值的平均值

  • COUNT - 统计一组值的数量

  • MAX - 计算一组值的最大值

  • MIN - 计算一组值的最小值

  • SUM - 计算一组值的和值

  • STRING_AGG - 连接一组字符串

以下示例分别返回了 IT 部门所有员工的平均薪水、员工总数、最高薪水、最低薪水、以及薪水总计：
SELECT AVG(salary),
COUNT(*),
MAX(salary),
MIN(salary),
SUM(salary)
FROM employees
WHERE department_id = 60;

avg                  |count|max    |min    |sum     |
---------------------|-----|-------|-------|--------|
5760.0000000000000000|    5|9000.00|4200.00|28800.00|

关于聚合函数，需要注意两点：

  • 函数参数前添加DISTINCT可以在计算时排除重复值。

  • 忽略参数中的 NULL 值。

来看以下查询：
SELECT COUNT(*), 
COUNT(DISTINCT salary), 
COUNT(commission_pct)
FROM employees
WHERE department_id = 60;

count|count|count|
-----|-----|-----|
5|    4|    0|

其中，COUNT(*) 返回了该部门员工的总数（5），COUNT(DISTINCT salary) 返回了薪水不相同的员工数量（4），COUNT(commission_pct) 返回了佣金百分比不为空值的数量（0），该部门员工都没有佣金提成。

以下示例使用STRING_AGG将 IT 部门员工的名字使用分号进行分隔，按照薪水从高到低排序后连接成一个字符串：

SELECT STRING_AGG(first_name, ';' ORDER BY salary DESC)
FROM employees
WHERE department_id = 60;

string_agg                       |
---------------------------------|
Alexander;Bruce;David;Valli;Diana|

更多的聚合函数可以参考官方文档。

分组聚合

我们已经获得了 IT 部门的一些汇总信息，如果还需要知道其他部门的相关信息，可以多次运行相同的查询（修改查询条件中的部门编号）。但是这种明显过于复杂，不适合实际应用。SQL 为此提供了GROUP BY子句，它用于将数据分成多个组，然后使用聚合函数对每个组进行汇总。

举例来说，如果想要知道每个部门内所有员工的平均薪水、员工总数、最高薪水、最低薪水、以及薪水总计，可以使用以下查询语句：

SELECT department_id,
AVG(salary),
COUNT(*),
MAX(salary),
MIN(salary),
SUM(salary)
FROM employees
GROUP BY department_id
ORDER BY department_id;

department_id|avg                   |count|max     |min     |sum      |
-------------|----------------------|-----|--------|--------|---------|
10| 4400.0000000000000000|    1| 4400.00| 4400.00|  4400.00|
20| 9500.0000000000000000|    2|13000.00| 6000.00| 19000.00|
30| 4150.0000000000000000|    6|11000.00| 2500.00| 24900.00|
40| 6500.0000000000000000|    1| 6500.00| 6500.00|  6500.00|
50| 3475.5555555555555556|   45| 8200.00| 2100.00|156400.00|
60| 5760.0000000000000000|    5| 9000.00| 4200.00| 28800.00|
70|10000.0000000000000000|    1|10000.00|10000.00| 10000.00|
80| 8955.8823529411764706|   34|14000.00| 6100.00|304500.00|
90|    19333.333333333333|    3|24000.00|17000.00| 58000.00|
100| 8601.3333333333333333|    6|12008.00| 6900.00| 51608.00|
110|10154.0000000000000000|    2|12008.00| 8300.00| 20308.00|
| 7000.0000000000000000|    1| 7000.00| 7000.00|  7000.00|

查询执行时，首先根据GROUP BY子句中的列（department_id）进行分组，然后使用聚合函数汇总组内的数据。最后一条数据是针对部门编号字段为空的数据进行的分组汇总，GROUP BY将所有的 NULL 值分为一组。

GROUP BY并不一定需要与聚合函数一起使用，例如：

SELECT department_id
FROM employees
GROUP BY department_id
ORDER BY department_id;

department_id|
-------------|
10|
20|
30|
40|
50|
60|
70|
80|
90|
100|
110|
|

查询的结果就是不同的部门编号分组，这种查询的结果与DISTINCT效果相同：

SELECT DISTINCT department_id
FROM employees
ORDER BY department_id;

GROUP BY不仅可以按照一个字段进行分组，也可以使用多个字段将数据分成更多的组。例如，以下查询将员工按照不同的部门和职位组合进行分组，然后进行汇总：

SELECT department_id,
       job_id,
AVG(salary),
COUNT(*),
MAX(salary),
MIN(salary),
SUM(salary)
FROM employees
GROUP BY department_id, job_id
ORDER BY department_id, job_id;

department_id|job_id    |avg                   |count|max     |min     |sum      |
-------------|----------|----------------------|-----|--------|--------|---------|
10|AD_ASST   | 4400.0000000000000000|    1| 4400.00| 4400.00|  4400.00|
20|MK_MAN    |13000.0000000000000000|    1|13000.00|13000.00| 13000.00|
20|MK_REP    | 6000.0000000000000000|    1| 6000.00| 6000.00|  6000.00|
30|PU_CLERK  | 2780.0000000000000000|    5| 3100.00| 2500.00| 13900.00|
30|PU_MAN    |11000.0000000000000000|    1|11000.00|11000.00| 11000.00|
40|HR_REP    | 6500.0000000000000000|    1| 6500.00| 6500.00|  6500.00|
50|SH_CLERK  | 3215.0000000000000000|   20| 4200.00| 2500.00| 64300.00|
50|ST_CLERK  | 2785.0000000000000000|   20| 3600.00| 2100.00| 55700.00|
50|ST_MAN    | 7280.0000000000000000|    5| 8200.00| 5800.00| 36400.00|
60|IT_PROG   | 5760.0000000000000000|    5| 9000.00| 4200.00| 28800.00|
70|PR_REP    |10000.0000000000000000|    1|10000.00|10000.00| 10000.00|
80|SA_MAN    |    12200.000000000000|    5|14000.00|10500.00| 61000.00|
80|SA_REP    | 8396.5517241379310345|   29|11500.00| 6100.00|243500.00|
90|AD_PRES   |    24000.000000000000|    1|24000.00|24000.00| 24000.00|
90|AD_VP     |    17000.000000000000|    2|17000.00|17000.00| 34000.00|
100|FI_ACCOUNT| 7920.0000000000000000|    5| 9000.00| 6900.00| 39600.00|
100|FI_MGR    |12008.0000000000000000|    1|12008.00|12008.00| 12008.00|
110|AC_ACCOUNT| 8300.0000000000000000|    1| 8300.00| 8300.00|  8300.00|
110|AC_MGR    |12008.0000000000000000|    1|12008.00|12008.00| 12008.00|
|SA_REP    | 7000.0000000000000000|    1| 7000.00| 7000.00|  7000.00|

使用了GROUP BY子句进行分组操作之后需要注意一点，就是SELECT列表中只能出现分组字段或者聚合函数，不能再出现表中的其他字段。下面是一个错误的示例：

SELECT department_id,
       job_id,
AVG(salary),
COUNT(*),
MAX(salary),
MIN(salary),
SUM(salary)
FROM employees
GROUP BY department_id;

SQL 错误 [42803]: ERROR: column "employees.job_id" must appear in the GROUP BY clause or be used in an aggregate function
  Position: 31

错误的原因在于 job_id 既不是分组的条件，也不是聚合函数。查询要求按照部门进行分组汇总，但是每个部门存在多个不同的职位，数据库无法知道需要显示哪个职位编号。

分组过滤

当我们需要针对分组汇总后的数据再次进行过滤时，例如找出平均薪水值大于 10000 的部门，直观的想法就是在WHERE子句中增加一个过滤条件，例如：

SELECT department_id,
AVG(salary),
COUNT(*),
MAX(salary),
MIN(salary),
SUM(salary)
FROM employees
WHERE AVG(salary) > 10000
GROUP BY department_id
ORDER BY department_id;

SQL 错误 [42803]: ERROR: aggregate functions are not allowed in WHERE
  Position: 150

不过查询并没有返回期望的结果，而是出现了一个错误：WHERE子句中不允许出现聚合函数。因为在 SQL 询中，如果同时存在WHERE子句和GROUP BY子句，WHERE子句在GROUP BY子句之前执行。因此，WHERE子句无法对分组后的结果进行过滤。

WHERE子句执行时还没有进行分组计算，它只能基于分组之前的数据进行过滤。如果需要对分组后的结果进行过滤，需要使用HAVING子句。以上查询的正确写法如下：

SELECT department_id,
AVG(salary),
COUNT(*),
MAX(salary),
MIN(salary),
SUM(salary)
FROM employees
GROUP BY department_id
HAVING AVG(salary) > 10000
ORDER BY department_id;

department_id|avg                   |count|max     |min     |sum     |
-------------|----------------------|-----|--------|--------|--------|
90|    19333.333333333333|    3|24000.00|17000.00|58000.00|
110|10154.0000000000000000|    2|12008.00| 8300.00|20308.00|

HAVING出现在GROUP BY之后，也在它之后执行，因此能够使用聚合函数进行过滤。

我们可以同时使用WHERE子句进行数据行的过滤，使用HAVING进行分组结果的过滤。以下示例用于查找哪些部门中薪水大于 10000 的员工的数量多于 2 个：

SELECT department_id, 
COUNT(*) AS headcount
FROM employees
WHERE salary > 10000
GROUP BY department_id
HAVING COUNT(*) > 2;

department_id|headcount|
-------------|---------|
80|        8|
90|        3|

查询时，首先通过WHERE子句找出薪水大于 10000 的所有员工；然后，按照部门编号进行分组，计算每个组内的员工数量；最后，使用HAVING子句过滤员工数量多于 2 个人的部门。

高级选项

PostgreSQL 除了支持基本的GROUP BY分组操作之外，还支持 3 种高级的分组选项：GROUPING SETS、ROLLUP以及CUBE。

GROUPING SETS 选项

GROUPING SETS是GROUP BY的扩展选项，用于指定自定义的分组集。举例来说，以下是一个销售数据表：

CREATE TABLE sales (
    item VARCHAR(10),
year VARCHAR(4),
    quantity INT
);

INSERT INTO sales VALUES('apple', '2018', 800);
INSERT INTO sales VALUES('apple', '2018', 1000);
INSERT INTO sales VALUES('banana', '2018', 500);
INSERT INTO sales VALUES('banana', '2018', 600);
INSERT INTO sales VALUES('apple', '2019', 1200);
INSERT INTO sales VALUES('banana', '2019', 1800);

按照产品（item）和年度（year）进行分组汇总时，所有可能的 4 种分组集包括：

  • 按照产品和年度的组合进行分组；

  • 按照产品进行分组；

  • 按照年度进行分组；

  • 所有数据分为一组。

可以通过以下多个查询获取所有分组集的分组结果：
-- 按照产品和年度的组合进行分组
SELECT item, year, SUM(quantity)
FROM sales
GROUP BY item, year;

item  |year|sum |
------|----|----|
banana|2019|1800|
apple |2019|1200|
apple |2018|1800|
banana|2018|1100|

-- 按照产品进行分组
SELECT item, NULL AS year, SUM(quantity)
FROM sales
GROUP BY item;

item  |year|sum |
------|----|----|
banana|    |2900|
apple |    |3000|

-- 按照年度进行分组
SELECT NULL AS item, year, SUM(quantity)
FROM sales
GROUP BY year;

item|year|sum |
----|----|----|
|2018|2900|
|2019|3000|

-- 所有数据分为一组
SELECT NULL AS item, NULL AS year, SUM(quantity)
FROM sales;

item|year|sum |
----|----|----|
|    |5900|

为了统一显示，查询中增加了一些 NULL 值列。在后续的文章中我们会介绍如何使用集合运算符（UNION ALL）将 4 个查询结果合并到一起。但是这种方法存在一些问题：首先，查询语句比较冗长，查询的次数随着分组字段的增加呈指数增长；其次，多次查询意味着需要多次扫描同一张表，存在性能上的问题。

GROUPING SETS是GROUP BY的扩展选项，能够为这种查询需求提供更加简单有效的解决方法。我们使用分组集改写上面的示例：

SELECT item, year, SUM(quantity)
FROM sales
GROUP BY GROUPING SETS (
(item, year),
(item),
(year),
()
);

item  |year|sum |
------|----|----|
|    |5900|
banana|2019|1800|
apple |2019|1200|
apple |2018|1800|
banana|2018|1100|
banana|    |2900|
apple |    |3000|
|2018|2900|
|2019|3000|

GROUPING SETS选项用于定义分组集，每个分组集都需要包含在单独的括号中，空白的括号（()）表示将所有数据当作一个组处理。查询的结果等于前文 4 个查询的合并结果，但是语句更少，可读性更强；而且 PostgreSQL 执行时只需要扫描一次销售表，性能更加优化。

另外，默认的GROUP BY使用的是由所有分组字段构成的一个分组集，本示例中为 ((item, year))。

CUBE 选项

随着分组字段的增加，即使通过GROUPING SETS列出所有可能的分组方式也会显得比较麻烦。设想一下使用 4 个字段进行分组统计的场景，所有可能的分组集共计有 16 个。这种情况下编写查询语句仍然很复杂，为此 PostgreSQL 提供了简写形式的GROUPING SETS：CUBE和ROLLUP。

CUBE表示所有可能的分组集，例如：

CUBE ( c1, c2, c3 )

等价于：

GROUPING SETS (
    ( c1, c2, c3 ),
    ( c1, c2 ),
    ( c1, c3 ),
    ( c2, c3 ),
    ( c1 ),
    ( c2 ),
    ( c3 ),
    ( )
)

因此，我们可以进一步将上面的示例改写如下：

SELECT item, year, SUM(quantity)
FROM sales
GROUP BY CUBE (item,year);

item  |year|sum |
------|----|----|
|    |5900|
banana|2019|1800|
apple |2019|1200|
apple |2018|1800|
banana|2018|1100|
banana|    |2900|
apple |    |3000|
|2018|2900|
|2019|3000|

ROLLUP 选项

GROUPING SETS第二种简写形式就是ROLLUP，用于生成按照层级进行汇总的结果，类似于财务报表中的小计、合计和总计。例如：

ROLLUP ( c1, c2, c3 )

等价于：

GROUPING SETS (
( c1, c2, c3 ),
( e1, e2 ),
( e1 ),
( )
)

以下查询返回按照产品和年度组合进行统计的销量小计，加上按照产品进行统计的销量合计，再加上所有销量的总计：

SELECT item, year, SUM(quantity)
FROM sales
GROUP BY ROLLUP (item,year);

item  |year|sum |
------|----|----|
|    |5900|
banana|2019|1800|
apple |2019|1200|
apple |2018|1800|
banana|2018|1100|
banana|    |2900|
apple |    |3000|

查看结果时，需要根据每个字段上的空值进行判断。比如第一行的产品和年度都为空，因此它是所有销量的总计。为了便于查看，可以将空值进行转换显示：

SELECT coalesce(item, '所有产品') AS "产品",
coalesce(year, '所有年度') AS "年度",
SUM(quantity) as "销量"
FROM sales
GROUP BY ROLLUP (item,year);

产品    |年度  |销量  |
------|----|----|
所有产品|所有年度|5900|
banana |2019   |1800|
apple  |2019   |1200|
apple  |2018   |1800|
banana |2018   |1100|
banana |所有年度|2900|
apple  |所有年度|3000|

COALESCE 函数返回第一个非空的参数值。

可以根据需要返回按照某些组合进行统计的结果，以下查询返回按照产品和年度组合进行统计的销量小计，加上按照产品进行统计的销量合计：

SELECT coalesce(item, '所有产品') AS "产品",
coalesce(year, '所有年度') AS "年度",
SUM(quantity) as "销量"
FROM sales
GROUP BY item, ROLLUP (year);

产品    |年度  |销量  |
------|----|----|
banana |2019   |1800|
apple  |2019   |1200|
apple  |2018   |1800|
banana |2018   |1100|
banana |所有年度|2900|
apple  |所有年度|3000|

对于CUBE和ROLLUP而言，每个元素可以是单独的字段或表达式，也可以是使用括号包含的列表。如果是括号中的列表，产生分组集时它们必须作为一个整体。例如：

CUBE ( (c1, c2), (c3, c4) )

等价于：

GROUPING SETS (
    ( c1, c2, c3, c4 ),
    ( c1, c2 ),
    ( c3, c4 ),
    ( )
)

因为 c1 和 c2 是一个整体，c3 和 c4 是一个整体。

同样：

ROLLUP ( c1, (c2, c3), c4 )

等价于：

GROUPING SETS (
( c1, c2, c3, c4 ),
( c1, c2, c3 ),
( c1 ),
( )
)

GROUPING 函数

虽然有时候可以通过空值来判断数据是不是某个字段上的汇总，比如说按照年度进行统计的结果在字段 year 上的值为空。但是情况并非总是如此，考虑以下示例：

-- 未知产品在 2018 年的销量为 5000
INSERT INTO sales VALUES(NULL, '2018', 5000);

SELECT coalesce(item, '所有产品') AS "产品",
coalesce(year, '所有年度') AS "年度",
SUM(quantity) as "销量"
FROM sales
GROUP BY ROLLUP (item,year);

查询结果如下：

其中第 5 行和第 7 行的显示存在问题，它们分别应该是未知产品在 2018 年的销量小计和所有年度的销量合计。问题的关键在于无法区分是分组产生的 NULL 值还是源数据中的 NULL 值。为了解决这个问题，PostgreSQL 提供了一个分组函数：GROUPING。

以下查询显示了GROUPING函数的结果：

SELECT item AS "产品",
year AS "年度",
SUM(quantity) as "销量",
       GROUPING(item),
       GROUPING(year),
       GROUPING(item, year)
FROM sales
GROUP BY ROLLUP (item,year);

返回的结果如下：

GROUPING函数如果只有一个参数，返回整数 0 或者 1。如果某个统计结果使用的分组集包含了函数中的参数字段，该函数返回 0，否则返回 1。比如说，第 1 行数据是所有产品所有年度的统计（分组集为空），所以 GROUPING(item) 和 GROUPING(year) 结果都是 1；第 7 行数据是未知产品所有年度的统计（分组集为 ( item, )），所以 GROUPING(item) 结果为 0，GROUPING(year) 结果为 1。

GROUPING函数如果包含多个参数，针对每个参数返回整数 0 或者 1，然后将它们按照二进制数值连接到一起。比如说，第 1 行数据中的 GROUPING(item, year) 结果等于 GROUPING(item) 和 GROUPING(year) 结果的二进制数值连接，也就是 3（二进制的 11）。

通过使用GROUPING函数，我们可以正确显示分组中的 NULL 值和源数据中的 NULL 值：

SELECT CASE GROUPING(item) WHEN 1 THEN '所有产品' ELSE item END AS "产品",
CASE GROUPING(year) WHEN 1 THEN '所有年度' ELSE year END AS "年度",
SUM(quantity) as "销量"
FROM sales
GROUP BY ROLLUP (item,year);

该查询的结果如下：

原文作者：SQL编程思想；如有侵权，请联系管理员删除。

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专家姓名：董旭阳
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