Django笔记二十八之数据库查询优化汇总

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这一篇笔记将从以下几个方面来介绍 Django 在查询过程中的一些优化操作，有一些是介绍如何获取 Django 查询转化的 sql 语句，有一些是理解 QuerySet 是如何获取数据的。

以下是本篇笔记目录：

性能方面
使用标准的数据库优化技术
理解 QuerySet
操作尽量在数据库中完成而不是在内存中
使用唯一索引来查询单个对象
如果知道需要什么数据，那么就立刻查出来
不要查询你不需要的数据
使用批量的方法

1、性能方面

1. connection.queries

前面我们介绍过 connection.queries 的用法，比如我们执行了一条查询之后，可以通过下面的方式查到我们刚刚的语句和耗时

>>> from django.db import connection
>>> connection.queries
[{'sql': 'SELECT polls_polls.id, polls_polls.question, polls_polls.pub_date FROM polls_polls',
'time': '0.002'}]

仅仅当系统的 DEBUG 参数设为 True，上述命令才可生效，而且是按照查询的顺序排列的一个数组

数组的每一个元素都是一个字典，包含两个 Key：sql 和 time

sql 为查询转化的查询语句
time 为查询过程中的耗时

因为这个记录是按照时间顺序排列的，所以 connection.queries[-1] 总能查询到最新的一条记录。

多数据库操作

如果系统用的是多个数据库，那么可以通过 connections['db_alias'].queries 来操作，比如我们使用的数据库的 alias 为 user：

>>> from django.db import connections
>>> connections['user'].queries

如果想清空之前的记录，可以调用 reset_queries() 函数：

from django.db import reset_queries
reset_queries()

2. explain

我们也可以使用 explain() 函数来查看一条 QuerySet 的执行计划，包括索引以及联表查询的的一些信息

这个操作就和 MySQL 的 explain 是一样的。

>>> print(Blog.objects.filter(title='My Blog').explain())
Seq Scan on blog  (cost=0.00..35.50 rows=10 width=12)
  Filter: (title = 'My Blog'::bpchar)

也可以加一些参数来查看更详细的信息：

>>> print(Blog.objects.filter(title='My Blog').explain(verbose=True, analyze=True))
Seq Scan on public.blog  (cost=0.00..35.50 rows=10 width=12) (actual time=0.004..0.004 rows=10 loops=1)
  Output: id, title
  Filter: (blog.title = 'My Blog'::bpchar)
Planning time: 0.064 ms
Execution time: 0.058 ms

之前在使用 Django 的过程中还使用到一个叫 silk 的工具，它可以用来分析一个接口各个步骤的耗时，有兴趣的可以了解一下。

2、使用标准的数据库优化技术

数据库优化技术指的是在查询操作中 SQL 底层本身的优化，不涉及 Django 的查询操作

比如使用索引 index，可以使用 Meta.indexes 或者字段里的 Field.db_index 来添加索引

如果频繁的使用到 filter()、exclude()、order_by() 等操作，建议为其中查询的字段添加索引，因为索引能帮助加快查询

3、理解 QuerySet

1. 理解 QuerySet 获取数据的过程

1) QuerySet 的懒加载

一个查询的创建并不会访问数据库，直到获取这条查询语句的具体数据的时候，系统才会去访问数据库：

>>> q = Entry.objects.filter(headline__startswith="What")  # 不访问数据库
>>> q = q.filter(pub_date__lte=datetime.date.today())  # 不访问数据库
>>> q = q.exclude(body_text__icontains="food")  # 不访问数据库
>>> print(q)  # 访问数据库

比如上面四条语句，只有最后一步，系统才会去查询数据库。

2) 数据什么时候被加载

迭代、使用步长分片、使用len()函数获取长度以及使用list()将QuerySet 转化成列表的时候数据才会被加载

这几点情况在我们的第九篇笔记中都有详细的描述。

3) 数据是怎么被保存在内存中的

每一个 QuerySet 都会有一个缓存来减少对数据库的访问操作，理解其中的运行原理能帮助我们写出最有效的代码。

当我们创建一个 QuerySet 的之后，并且数据第一次被加载，对数据库的查询操作就发生了。

然后 Django 会保存 QuerySet 查询的结果，并且在之后对这个 QuerySet 的操作中会重复使用，不会再去查询数据库。

当然，如果理解了这个原理之后，用得好就OK，否则会对数据库进行多次查询，造成性能的浪费，比如下面的操作：

>>> print([e.headline for e in Entry.objects.all()])
>>> print([e.pub_date for e in Entry.objects.all()])

上面的代码，同样一个查询操作，系统会查询两遍数据库，而且对于数据来说，两次的间隔期之间，Entry 表可能的某些数据库可能会增加或者被删除造成数据的不一致。

为了避免此类问题，我们可以这样复用这个 QuerySet :

>>> queryset = Entry.objects.all()
>>> print([p.headline for p in queryset]) # 查询数据库
>>> print([p.pub_date for p in queryset]) # 从缓存中直接使用，不会再次查询数据库

这样的操作系统就只执行了一遍查询操作。

使用数组的切片或者根据索引(即下标)不会缓存数据

QuerySet 也并不总是缓存所查询的结果，如果只是获取一个 QuerySet 部分数据，会查询有是否这个 QuerySet 的缓存
有的话，则直接从缓存中获取数据，没有的话，后续也不会将这部分数据缓存到系统中。

举个例子，比如下面的操作，在缓存整个 QuerySet 数据前，查询一个 QuerySet 的部分数据时，系统会重复查询数据库：

>>> queryset = Entry.objects.all()
>>> print(queryset[5]) # 查询数据库
>>> print(queryset[5]) # 再次查询数据库

而在下面的操作中，整个 QuerySet 都被提前获取了，那么根据索引的下标获取数据，则能够从缓存中直接获取数据：

>>> queryset = Entry.objects.all()
>>> [entry for entry in queryset] # 查询数据库
>>> print(queryset[5]) # 使用缓存
>>> print(queryset[5]) # 使用缓存

如果一个 QuerySet 已经缓存到内存中，那么下面的操作将不会再次查询数据库：

>>> [entry for entry in queryset]
>>> bool(queryset)
>>> entry in queryset
>>> list(queryset)

2. 理解 QuerySet 的缓存

除了 QuerySet 的缓存，单个 model 的 object 也有缓存的操作。

我们这里简单理解为外键和多对多的关系。

比如下面外键字段的获取，blog 是 Entry 的一个外键字段：

>>> entry = Entry.objects.get(id=1)
>>> entry.blog   # Blog 的实例被查询数据库获得
>>> entry.blog   # 第二次获取，使用缓存信息，不会查询数据库

而多对多关系的获取每次都会被重新去数据库获取数据：

>>> entry = Entry.objects.get(id=1)
>>> entry.authors.all()   # 查询数据库
>>> entry.authors.all()   # 再次查询数据库

当然，以上的操作，我们都可以通过 select_related() 和 prefetch_related() 的方式来减少数据库的访问，这个的用法在前面的笔记中有介绍。

4、操作尽量在数据库中完成而不是在内存中

举几个例子：

在大多数查询中，使用 filter() 和 exclude() 在数据库中做过滤，而不是在获取所有数据之后在 Python 里的 for 循环里筛选数据
在同一个 model 的操作中，如果有涉及到其他字段的操作，可以用到 F 表达式
使用 annotate 函数在数据库中做聚合（aggregate）的操作

如果某些查询比较复杂，可以使用原生的 SQL 语句，这个操作也在前面有过一篇完整的笔记介绍过

5、使用唯一索引来查询单个对象

在使用 get() 来查询单条数据的时候，有两个理由使用唯一索引（unique）或普通索引（db_index）

一个是基于数据库索引，查询会更快，

另一个是如果多条数据都满足查询条件，查询会慢得多，而在唯一索引的约束下则保证这种情况不会发生

所以使用下面的 id 进行匹配会比 headline 字段匹配快得多，因为 id 字段在数据库中有索引且是唯一的：

entry = Entry.objects.get(id=10)

entry = Entry.objects.get(headline="News Item Title")

而下面的操作可能会更慢：

entry = Entry.objects.get(headline__startswith="News")

首先， headline 字段上没有索引，会导致数据库获取速度慢

其次，查询并不能保证只返回一个对象，如果匹配上来多个对象，且从数据库中检索并返回数百数千条记录，后果会很严重，其实就会报错，get() 能接受的返回只能是一个实例数据。

6、如果知道需要什么数据，那么就立刻查出来

能一次性查询所有需要的相关的数据的话，就一次性查询出来，不要在循环中做多次查询，因为那样会多次访问数据库

所以这就需要理解并且用到 select_related() 和 prefetch_related() 函数

7、不要查询你不需要的数据

1. 使用 values() 和 values_list() 函数

如果需求仅仅是需要某几个字段的数据，可以用到的数据结构为 dict 或者 list，可以直接使用这两个函数来获取数据

2. 使用 defer() 和 only()

如果明确知道只需要，或者不需要什么字段数据，可以使用这两个方法，一般常用在 textfield 上，避免加载大数据量的 text 字段

3. 使用 count()

如果想要获取总数，使用 count() 方法，而不是使用 len() 来操作，如果数据有一万条，len() 操作会导致这一万条数据都加载到内存里，然后计数。

4. 使用 exists()

如果仅仅是想查询数据是否至少存在一条可以使用 if QuerySet.exists() 而不是 if queryset 的形式

5. 使用 update() 和 delete()

能够批量更新和删除的操作就使用批量的方法，挨个去加载数据，更新数据，然后保存是不推荐的

6. 直接使用外键的值

如果需要外键的值，直接调用早就在这个 object 中的字段，而不是加载整个关联的 object 然后取其主键id

比如推荐：

entry.blog_id

而不是：

entry.blog.id

7. 如果不需要排序的结果，就不要order_by()

每一个字段的排序都是数据库的操作需要额外消耗性能的，所以如果不需要的话，尽量不要排序

如果在 Meta.ordering 中有一个默认的排序，而你不需要，可以通过 order_by() 不添加任何参数的方法来取消排序

为数据库添加索引，可以帮助提高排序的性能

8、使用批量的方法

1. 批量创建

对于多条 model 数据的创建，尽可能的使用 bulk_create() 方法，这是要优于挨个去 create() 的

2. 批量更新

bulk_update 方法也优于挨个数据在 for 循环中去 save()

3. 批量 insert

对于 ManyToMany 方法，使用 add() 方法的时候添加多个参数一次性操作比多次 add 要好

my_band.members.add(me, my_friend)

要优于：

my_band.members.add(me)
my_band.members.add(my_friend)

4. 批量 remove

当去除 ManyToMany 中的数据的时候，也是能一次性操作就一次性操作：

my_band.members.remove(me, my_friend)

要好于：

my_band.members.remove(me)
my_band.members.remove(my_friend)

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