数据库中，如果用SQL语言进行多个表的查询，就需要用到连接操作。这里对SQL中的连接类型进行简单的介绍。本文内容可能会涉及以下几张表：
院系表：department(dept_name, building, budget);
课程表：course(course_id, title, dept_name, credits)
老师表：instructor(ID, name, dept_name, salary)
教学表：teaches(ID, course_id, sec_id, semester)
学生表：student(ID, name, dept_name, tot_cred)
选课表：takes(ID, course_id, sec_id, semester, year, grade)
1、多表查询
如果要查询所有教师的姓名、院系和院系所在的建筑，就需要用到多表查询：
select name, instructor.dept_name, building
from instructor, department
where instructor.dept_name = department.dept_name
可以这样理解，该查询在执行时，首先将instructor表和department表中的所有的记录做笛卡尔积，然后，根据where子句中指定的谓词，对笛卡尔乘积的结果进行筛选，最后得到查询结果。
然而，实际中，该查询不会按照这个步骤执行，数据库会（尽可能地）只产生满足where子句谓词的笛卡尔积元素来进行优化执行。
这是SQL种最基本的表连接形式。除此之外，SQL中还提供了关键字join，专门用于表连接查询，这些连接可以分为内连接(inner join)和外连接(outer join)两种。外连接又分为左外连接(left outer join)、右外连接(right outer join)和全外连接(full outer join)。
2、自然连接
2.1 什么是自然连接
这里首先介绍自然连接，看下面的连接：
select name, instructor.dept_name, building
from instructor, department
where instructor.dept_name = department.dept_name
这里的连接谓词是instructor.dept_name = department.dept_name，而这两个表中名称相同的字段只有dept_name。实际上，这是一种常见的情况。为此，SQL支持了一种叫做自然连接(natural join)的运算。
自然连接只取出两张表的笛卡尔乘积中，那些在两个表中都出现的字段上取值相同的结果。比如：
select name, instructor.dept_name, building
from instructor natural join department
这个例子中，只会取出instructor表和department表笛卡尔乘积结果中，那些instructor.dept_name和department.dept_name相等的记录，作为连接的结果。因为dept_name是唯一的两张表中都出现的字段(如果两张表还有其他相同的字段，那么查询结果中来自不同表的这些字段也都必须相等)。
2.2 自然连接注意
除了只关注两个表中的相同字段，自然连接还有两个地方需要注意：
连接结果中，对于两张表中都有的字段，只出现一次。
-
字段出现的顺序
先是两张表中都有的字段，然后是只出现在第一张表中的字段，最后是只出现在第二张表中的字段。
2.3 自然连接运算的结果是关系
关系数据库中，关系就是表，表就代表关系。这里，自然连接运算的结果是关系，可以理解为自然连接的结果也是一张表。例子，查询所有教师的名字，以及他们教授的课程名称。
select name, title
from instructor natural join teaches, course
where teaches.course_id = course.course_id
这个例子中，先将instructor表和teaches表进行自然连接，由于得到的结果也是一个关系（表），所以也可以将该结果和course表连接。注意，这里的teaches.course_id是自然连接结果中的course_id字段，因为它是来自teaches表，所以用teaches.course_id标识。
2.4 using子句
看上面的连接语句，似乎可以写成：
select name, title
from instructor natural join teaches natural join course
其实，前一个自然连接的结果包括字段(ID, name, dept_name, salary, course_id, sec_id)，而course表包含的字段(course_id, title, dept_name, credits)。两者的公共字段除了course_id之外，还有dept_name。所以，该SQL实际上相当于：
select name, title
from instructor natural join teaches, course
where teaches.course_id = course.course_id and teaches.dept_name = course.dept_name
为了避免不必要的相等属性带来的问题，同时发扬自然连接的优点，SQL中提供了using子句来允许用户指定哪些字段相等。例如，上面的SQL就相当于：
select name, title
from instructor natural join teaches natural join course using (course_id, dept_name)
当然，using子句中也可以是单个字段，如：
select name, title
from instructor natural join teaches natural join course using (course_id)
2.5 on子句
on子句允许在参与连接的关系上指定通用的谓词，这个谓词的写法和where子句谓词类似。和using子句一样，on子句出现在连接表达式的末尾。下面是一个例子：
select *
from student join takes on student.ID = takes.ID
这里的意思是连接student表和takes表中，ID字段值相同的记录。功能上和下面的脚本类似：
select *
from student natural join takes
两者之间的区别就在于前者结果中ID属性出现两次，一次来自student，一次来自takes；而后者结果中ID属性只出现一次，因为是自然连接。
on条件可以表示任何的SQL谓词，因此使用on条件的连接表达式可以表示比自然连接更加复杂的连接条件。功能上，上面带on子句的连接等价于：
select *
from student, takes
where student.ID = takes.ID
因此，可以将on子句中的谓词移到where子句中，但这并不是说on子句是多余的，使用on子句有以下优点：
- 在外连接中，on子句和where子句的表现不同（后文介绍）。
- 在on子句中指定连接条件，在where子句中出现其它的连接条件，这样的SQL可读性更好。
3、外连接
3.1 外连接介绍
看如下查询：
select *
from student natural join takes
可以查询出学生信息和每个学生的选课信息。但是，这里有个问题，如果有一名学生Snow没有选任何课程，那么他不会出现在查询结果中。为了避免参与连接的一个或两个表中的某些记录以这种方式“丢失”，SQL提供了外连接操作。通过在结果中创建包含空值记录的方式，保留那些在连接中“丢失”的记录。
SQL中的外连接有三种形式：
- 左外连接(left outer join)
保证出现在连接操作左边的表记录不“丢失” - 右外连接(right outer join)
保证出现在连接操作右边的表记录不“丢失” - 全外连接(full outer join)
保证出现在连接操作两边的表记录都不“丢失”
比如，上面的例子中，为了保证学生记录不丢失，可以采用左外连接：
select *
from student natural left join takes
这样，查询结果中就会多一条记录，该记录中来自student表中的字段就是student表中Snow记录的值，而来自takes表中的字段都为null。
3.2 利用外连接查询“丢失”的记录
这样，利用外连接，可以查询出一门课都没有选的学生：
select ID
from student natural left join takes
where course_id is null
注意：判断是否为空用的是is null。
3.3 左外连接和右外连接是对称的
不难理解，如下的两个连接基本等价：
select *
from student natural left join takes
基本等价于
select *
from takes natural left join student
这里，基本等价的意思是说，结果中属性出现的顺序会不同。
3.4 on子句和外连接
on子句也可以和外连接一起使用，下面两个查询的功能基本相同（除了结果中ID字段出现的次数）：
select *
from student left outer join takes on student.ID = takes.ID
基本等价于
select *
from student left natural join takes
如前所述，外连接中on子句的表现和where子句不同，因为外连接只为结果集中没有出现的记录补上空值并插入结果集，on子句是外连接声明的一部分。但where子句却不是，where子句中的谓词作用于外连接的结果，用来对外连接的结果进行筛选。看下面的查询：
select *
from student left outer join takes on true
where student.ID = takes.ID
在这个查询中，由于外连接中on子句的谓词用的是true，所以student和takes表进行外连接实际上相当于做了笛卡尔积，在该外连接的结果中，包含所有来自两个表的记录，所以，不会向连接结果中补充空值记录。而where子句只筛选出外连接结果中满足谓词条件的记录。这样，学生Snow这样的记录就不会出现在最后的结果中。这就是外连接中on和where的区别。
4、内连接
区别于上面提到的外连接，SQL把一般的连接称作内连接(inner join)。而关键字inner是可选的，如果join子句中没有outer前缀，那么默认的连接类型就是inner join。
select *
from student join takes using(ID)
等价于
select *
from student inner join takes using(ID)
类似地，natural join等价于natural inner join。
5、总结
实际上，内连接和外连接可以归纳为连接的类型，而natural、on子句和using子句可以归纳为连接的条件。如下表：
| 连接类型 | 连接条件 |
|---|---|
| inner join | natural |
| left outer join | on子句 |
| right outer join | using子句 |
| full outer join | ... |
任意的连接类型可以和任意的连接条件，进行组合，来满足连接查询需求。
参考
《数据库系统概念》 机械工业出版社 Abraham Silberschatz, Henry F. Korth, S. Sudarshan 杨冬青, 李红燕, 唐世渭等译。