Вычисляемые столбцы

Вычисляемые столбцы — это столбцы в таблицах баз данных, электронных таблицах или системах бизнес-аналитики, содержимое которых не хранится физически, а вычисляется на основе значений других столбцов той же строки с помощью заданной формулы или выражения. В отличие от обычных столбцов, данные в вычисляемых столбцах не вводятся вручную и не импортируются, а генерируются автоматически при обращении к записи или при её обновлении.

Основные характеристики

Вычисляемые столбцы обладают рядом отличительных свойств:

• Зависимость от других столбцов: значение вычисляемого столбца определяется исключительно значениями других столбцов в той же строке таблицы. Оно не может ссылаться на данные из других строк или таблиц без специальных механизмов (например, подзапросов или агрегатных функций).
• Автоматическое обновление: при изменении значений исходных столбцов, от которых зависит формула, вычисляемое значение пересчитывается. Это может происходить как в момент изменения данных (немедленно), так и при следующем чтении записи (лениво), в зависимости от реализации.
• Неизменяемость вручную: пользователь не может напрямую редактировать значение вычисляемого столбца. Любая попытка записи в такой столбец обычно приводит к ошибке или игнорируется системой.
• Виртуальность или материализация: вычисляемые столбцы могут быть виртуальными (не занимают места на диске, вычисляются при каждом чтении) или материализованными (хранятся на диске и обновляются при изменении исходных данных). Второй вариант ускоряет чтение, но замедляет запись и требует дополнительного места.

Применение в различных системах

Реляционные базы данных

В системах управления реляционными базами данных (СУБД), таких как Microsoft SQL Server, PostgreSQL, Oracle Database и MySQL, вычисляемые столбцы реализованы как часть стандарта SQL. Они позволяют:

• Автоматически рассчитывать итоговые значения, например, общую сумму заказа как произведение цены и количества.
• Генерировать производные данные, такие как полное имя из имени и фамилии.
• Реализовывать бизнес-логику на уровне схемы данных, уменьшая нагрузку на прикладной код.

В Microsoft SQL Server, начиная с версии 2005, поддерживаются как виртуальные, так и материализованные (persisted) вычисляемые столбцы. В PostgreSQL вычисляемые столбцы появились с версии 12, но реализованы через механизм GENERATED ALWAYS AS. В MySQL они поддерживаются с версии 5.7, причём индексы могут быть созданы только на материализованных вычисляемых столбцах.

Электронные таблицы

В таких программах, как Microsoft Excel и Google Sheets, аналогом вычисляемых столбцов являются формулы, введённые в ячейки столбца. Однако в контексте таблиц (структурированных диапазонов) в Excel существует понятие «вычисляемый столбец»: когда пользователь вводит формулу в одну ячейку столбца таблицы, Excel автоматически заполняет ею все остальные ячейки этого столбца. При добавлении новой строки формула применяется автоматически. В Google Sheets аналогичная функциональность реализована через массивы формул (ARRAYFORMULA) или через встроенные вычисляемые столбцы в Google Таблицах.

Системы бизнес-аналитики (BI)

В инструментах аналитики, таких как Microsoft Power BI, Tableau и Qlik, вычисляемые столбцы создаются на языке DAX (Data Analysis Expressions) или аналогичных. Здесь они отличаются от мер (measures), которые вычисляются агрегатно для всего набора данных. Вычисляемые столбцы в BI:

• Создаются на этапе загрузки или моделирования данных.
• Вычисляются для каждой строки таблицы независимо.
• Могут использоваться в качестве измерений, фильтров или осей в отчётах.
• Потребляют память, так как обычно материализуются при загрузке данных.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Целостность данных: вычисляемые столбцы гарантируют, что производные значения всегда соответствуют исходным данным, исключая ошибки ручного ввода.
• Упрощение запросов: разработчикам не нужно писать сложные формулы в каждом запросе — достаточно обратиться к вычисляемому столбцу.
• Производительность при чтении: материализованные вычисляемые столбцы могут быть проиндексированы, что ускоряет поиск и сортировку по ним.
• Централизация логики: бизнес-правила, заложенные в формулах, хранятся в одном месте (в схеме базы данных или модели), а не разбросаны по приложениям.

Недостатки

• Затраты на хранение: материализованные столбцы занимают дополнительное дисковое пространство.
• Замедление записи: при вставке или обновлении строки система должна пересчитать все зависимые вычисляемые столбцы, что может снизить производительность операций записи.
• Сложность отладки: ошибки в формулах вычисляемых столбцов могут быть трудно обнаружимы, особенно при сложных зависимостях.
• Ограничения на ссылки: вычисляемые столбцы обычно не могут ссылаться на данные из других таблиц без использования подзапросов или пользовательских функций, что усложняет реализацию некоторых сценариев.

Примеры использования

Пример 1: База данных интернет-магазина

Таблица Заказы содержит столбцы Количество и Цена_за_единицу. Вычисляемый столбец Общая_сумма определяется формулой: ``sql Общая_сумма AS (Количество * Цена_за_единицу) `` При каждом изменении количества или цены сумма пересчитывается автоматически.

Пример 2: Таблица сотрудников

Таблица Сотрудники содержит столбцы Имя и Фамилия. Вычисляемый столбец Полное_имя может быть задан как: ``sql Полное_имя AS (Имя || ' ' || Фамилия) ` В Microsoft SQL Server для конкатенации строк используется оператор +, в PostgreSQL — ||`.

Пример 3: Аналитика в Power BI

В модели данных Power BI создаётся вычисляемый столбец Возраст_клиента на основе столбца Дата_рождения: `` Возраст_клиента = DATEDIFF(Клиенты[Дата_рождения], TODAY(), YEAR) `` Этот столбец затем используется как фильтр для сегментации клиентов по возрастным группам.

Сравнение с другими механизмами

Ограничения и особенности реализации

В различных СУБД существуют свои нюансы:

• В MySQL вычисляемые столбцы не могут быть использованы в качестве первичного ключа.
• В PostgreSQL для вычисляемых столбцов нельзя использовать подзапросы или ссылаться на другие таблицы.
• В Microsoft SQL Server вычисляемые столбцы могут быть детерминированными или недетерминированными (например, если используют функции, возвращающие текущую дату). Детерминированные столбцы могут быть материализованы и проиндексированы.
• В Oracle Database вычисляемые столбцы называются «виртуальными столбцами» (virtual columns) и поддерживаются с версии 11g.

Источники

1. Microsoft Docs. «Specify Computed Columns in a Table». SQL Server Documentation.
2. PostgreSQL Documentation. «CREATE TABLE. Generated Columns».
3. MySQL Reference Manual. «CREATE TABLE and Generated Columns».
4. Microsoft Learn. «Computed Columns in Power BI Desktop».
5. Date, C. J. «An Introduction to Database Systems». Addison-Wesley, 2003.
6. Silberschatz, A., Korth, H. F., Sudarshan, S. «Database System Concepts». McGraw-Hill, 2019.