Django ORM 高性能查詢優化

来源:https://www.cnblogs.com/wangyueping/archive/2019/08/31/11434488.html
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Django ORM 高性能查詢優化 一、QuerySet 1、可切片 使用Python 的切片語法來限制 記錄的數目 。它等同於SQL 的 和 子句。 不支持負的索引(例如 )。通常, 的切片返回一個新的 —— 它不會執行查詢。 2、可迭代 3、惰性查詢 是惰性執行的 —— 創建 不會帶來任何數據 ...


Django ORM 高性能查詢優化

一、QuerySet

1、可切片

使用Python 的切片語法來限制查詢集記錄的數目 。它等同於SQL 的LIMITOFFSET 子句。

>>> Entry.objects.all()[:5]      # (LIMIT 5)
>>> Entry.objects.all()[5:10]    # (OFFSET 5 LIMIT 5)

不支持負的索引(例如Entry.objects.all()[-1])。通常,查詢集 的切片返回一個新的查詢集 —— 它不會執行查詢。


2、可迭代

articleList=models.Article.objects.all()

for article in articleList:
    print(article.title)


3、惰性查詢

查詢集 是惰性執行的 —— 創建查詢集不會帶來任何資料庫的訪問。你可以將過濾器保持一整天,直到查詢集 需要求值時,Django 才會真正運行這個查詢。

queryResult=models.Article.objects.all() # not hits database
 
print(queryResult) # hits database
 
for article in queryResult:
    print(article.title)    # hits database

一般來說,只有在“請求”查詢集 的結果時才會到資料庫中去獲取它們。當你確實需要結果時,查詢集 通過訪問資料庫來求值


4、緩存機制

每個查詢集都包含一個緩存來最小化對資料庫的訪問。理解它是如何工作的將讓你編寫最高效的代碼。

在一個新創建的查詢集中,緩存為空。首次對查詢集進行求值 —— 同時發生資料庫查詢 ——Django 將保存查詢的結果到查詢集的緩存中並返回明確請求的結果(例如,如果正在迭代查詢集,則返回下一個結果)。接下來對該查詢集 的求值將重用緩存的結果。

請牢記這個緩存行為,因為對查詢集使用不當的話,它會坑你的。例如,下麵的語句創建兩個查詢集,對它們求值,然後扔掉它們:

print([a.title for a in models.Article.objects.all()])
print([a.create_time for a in models.Article.objects.all()])

這意味著相同的資料庫查詢將執行兩次,顯然倍增了你的資料庫負載。同時,還有可能兩個結果列表並不包含相同的資料庫記錄,因為在兩次請求期間有可能有Article被添加進來或刪除掉。為了避免這個問題,只需保存查詢集並重新使用它:

queryResult=models.Article.objects.all()
print([a.title for a in queryResult])
print([a.create_time for a in queryResult])

何時查詢集不會被緩存?

查詢集不會永遠緩存它們的結果。當只對查詢集的部分進行求值時會檢查緩存, 如果這個部分不在緩存中,那麼接下來查詢返回的記錄都將不會被緩存。所以,這意味著使用切片或索引來限制查詢集將不會填充緩存。

例如,重覆獲取查詢集對象中一個特定的索引將每次都查詢資料庫:

>>> queryset = Entry.objects.all()
>>> print queryset[5] # Queries the database
>>> print queryset[5] # Queries the database again

然而,如果已經對全部查詢集求值過,則將檢查緩存:

>>> queryset = Entry.objects.all()
>>> [entry for entry in queryset] # Queries the database
>>> print queryset[5] # Uses cache
>>> print queryset[5] # Uses cache

下麵是一些其它例子,它們會使得全部的查詢集被求值並填充到緩存中:

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

註:簡單地列印查詢集不會填充緩存。

queryResult=models.Article.objects.all()
print(queryResult) #  hits database
print(queryResult) #  hits database


二、exists()與iterator()方法

1、exists

簡單的使用if語句進行判斷也會完全執行整個queryset並且把數據放入cache,雖然你並不需要這些 數據!為了避免這個,可以用exists()方法來檢查是否有數據:

 if queryResult.exists():
    #SELECT (1) AS "a" FROM "blog_article" LIMIT 1; args=()
        print("exists...")

2、iterator

當queryset非常巨大時,cache會成為問題。

處理成千上萬的記錄時,將它們一次裝入記憶體是很浪費的。更糟糕的是,巨大的queryset可能會鎖住系統 進程,讓你的程式瀕臨崩潰。要避免在遍曆數據的同時產生queryset cache,可以使用iterator()方法 來獲取數據,處理完數據就將其丟棄。

objs = Book.objects.all().iterator()
# iterator()可以一次只從資料庫獲取少量數據,這樣可以節省記憶體
for obj in objs:
    print(obj.title)
#BUT,再次遍歷沒有列印,因為迭代器已經在上一次遍歷(next)到最後一次了,沒得遍歷了
for obj in objs:
    print(obj.title)

當然,使用iterator()方法來防止生成cache,意味著遍歷同一個queryset時會重覆執行查詢。所以使 #用iterator()的時候要當心,確保你的代碼在操作一個大的queryset時沒有重覆執行查詢。

總結:

queryset的cache是用於減少程式對資料庫的查詢,在通常的使用下會保證只有在需要的時候才會查詢資料庫。 使用exists()和iterator()方法可以優化程式對記憶體的使用。不過,由於它們並不會生成queryset cache,可能 會造成額外的資料庫查詢。


三、查詢優化

1、select_related(基於連表查詢)

  1. 簡單使用

    對於一對一欄位(OneToOneField)和外鍵欄位(ForeignKey),可以使用select_related 來對QuerySet進行優化。

    select_related 返回一個QuerySet,當執行它的查詢時它沿著外鍵關係查詢關聯的對象的數據。它會生成一個複雜的查詢並引起性能的損耗,但是在以後使用外鍵關係時將不需要資料庫查詢。

    簡單說,在對QuerySet使用select_related()函數後,Django會獲取相應外鍵對應的對象,從而在之後需要的時候不必再查詢資料庫了。

    下麵的例子解釋了普通查詢和select_related() 查詢的區別。

    查詢id=2的文章的分類名稱,下麵是一個標準的查詢:

    # Hits the database.
    article = models.Article.objects.get(nid=2)
    # Hits the database again to get the related Blog object.
    print(article.category.title)

    對應SQL:

    SELECT
        "blog_article"."nid",
        "blog_article"."title",
        "blog_article"."desc",
        "blog_article"."read_count",
        "blog_article"."comment_count",
        "blog_article"."up_count",
        "blog_article"."down_count",
        "blog_article"."category_id",
        "blog_article"."create_time",
         "blog_article"."blog_id",
         "blog_article"."article_type_id"
                 FROM "blog_article"
                 WHERE "blog_article"."nid" = 2; args=(2,)
    
    SELECT
         "blog_category"."nid",
         "blog_category"."title",
         "blog_category"."blog_id"
                  FROM "blog_category"
                  WHERE "blog_category"."nid" = 4; args=(4,)

    如果我們使用select_related()函數:

    articleList=models.Article.objects.select_related("category").all()
        for article_obj in articleList:
            #  Doesn't hit the database, because article_obj.category
            #  has been prepopulated in the previous query.
            print(article_obj.category.title)

    對應SQL:

    SELECT
         "blog_article"."nid",
         "blog_article"."title",
         "blog_article"."desc",
         "blog_article"."read_count",
         "blog_article"."comment_count",
         "blog_article"."up_count",
         "blog_article"."down_count",
         "blog_article"."category_id",
         "blog_article"."create_time",
         "blog_article"."blog_id",
         "blog_article"."article_type_id",
    
         "blog_category"."nid",
         "blog_category"."title",
         "blog_category"."blog_id"
    
    FROM "blog_article"
    LEFT OUTER JOIN "blog_category" ON ("blog_article"."category_id" = "blog_category"."nid");


  2. 多外鍵查詢

    這是針對category的外鍵查詢,如果是另外一個外鍵呢?讓我們一起看下:

    article=models.Article.objects.select_related("category").get(nid=1)
    print(article.articledetail)

    觀察logging結果,發現依然需要查詢兩次,所以需要改為:

    article=models.Article.objects.select_related("category","articledetail").get(nid=1)
    print(article.articledetail)

    或者:

    article=models.Article.objects
                 .select_related("category")
                 .select_related("articledetail")
                 .get(nid=1)  # django 1.7 支持鏈式操作
    print(article.articledetail)

    對應SQL:

    SELECT
    
        "blog_article"."nid",
        "blog_article"."title",
        ......
    
        "blog_category"."nid",
        "blog_category"."title",
        "blog_category"."blog_id",
    
        "blog_articledetail"."nid",
        "blog_articledetail"."content",
        "blog_articledetail"."article_id"
    
       FROM "blog_article"
       LEFT OUTER JOIN "blog_category" ON ("blog_article"."category_id" = "blog_category"."nid")
       LEFT OUTER JOIN "blog_articledetail" ON ("blog_article"."nid" = "blog_articledetail"."article_id")
       WHERE "blog_article"."nid" = 1; args=(1,)


  3. 深層查詢

    # 查詢id=1的文章的用戶姓名
    
        article=models.Article.objects.select_related("blog").get(nid=1)
        print(article.blog.user.username)

    這是因為第一次查詢沒有query到userInfo表,所以,修改如下:

    article=models.Article.objects.select_related("blog__user").get(nid=1)
    print(article.blog.user.username)

    對應SQL:

    SELECT
    
    "blog_article"."nid", "blog_article"."title",
    ......
    
     "blog_blog"."nid", "blog_blog"."title",
    ......
    
     "blog_userinfo"."password", "blog_userinfo"."last_login",
    ......
    
    FROM "blog_article"
    
    INNER JOIN "blog_blog" ON ("blog_article"."blog_id" = "blog_blog"."nid")
    
    INNER JOIN "blog_userinfo" ON ("blog_blog"."user_id" = "blog_userinfo"."nid")
    WHERE "blog_article"."nid" = 1;


  4. 總結

    • select_related主要針一對一和多對一關係進行優化。
    • select_related使用SQL的JOIN語句進行優化,通過減少SQL查詢的次數來進行優化、提高性能。
    • 可以通過可變長參數指定需要select_related的欄位名。也可以通過使用雙下劃線“__”連接欄位名來實現指定的遞歸查詢。
    • 沒有指定的欄位不會緩存,沒有指定的深度不會緩存,如果要訪問的話Django會再次進行SQL查詢。
    • 也可以通過depth參數指定遞歸的深度,Django會自動緩存指定深度內所有的欄位。如果要訪問指定深度外的欄位,Django會再次進行SQL查詢。
    • 也接受無參數的調用,Django會儘可能深的遞歸查詢所有的欄位。但註意有Django遞歸的限制和性能的浪費。
    • Django >= 1.7,鏈式調用的select_related相當於使用可變長參數。Django < 1.7,鏈式調用會導致前邊的select_related失效,只保留最後一個。


2、prefetch_related(基於子查詢)

對於多對多欄位(ManyToManyField)和一對多欄位,可以使用prefetch_related()來進行優化。

prefetch_related()和select_related()的設計目的很相似,都是為了減少SQL查詢的數量,但是實現的方式不一樣。後者是通過JOIN語句,在SQL查詢內解決問題。但是對於多對多關係,使用SQL語句解決就顯得有些不太明智,因為JOIN得到的表將會很長,會導致SQL語句運行時間的增加和記憶體占用的增加。若有n個對象,每個對象的多對多欄位對應Mi條,就會生成Σ(n)Mi 行的結果表。

prefetch_related()的解決方法是,分別查詢每個表,然後用Python處理他們之間的關係。

# 查詢所有文章關聯的所有標簽
    article_obj=models.Article.objects.all()
    for i in article_obj:
        print(i.tags.all())  #4篇文章: hits database 5

改為prefetch_related:

# 查詢所有文章關聯的所有標簽
    article_obj=models.Article.objects.prefetch_related("tags").all()
    for i in article_obj:
        print(i.tags.all())  #4篇文章: hits database 2

對應SQL:

SELECT "blog_article"."nid",
               "blog_article"."title",
               ......
 
FROM "blog_article";
 
 
 
SELECT
  ("blog_article2tag"."article_id") AS "_prefetch_related_val_article_id",
  "blog_tag"."nid",
  "blog_tag"."title",
  "blog_tag"."blog_id"
   FROM "blog_tag"
  INNER JOIN "blog_article2tag" ON ("blog_tag"."nid" = "blog_article2tag"."tag_id")
  WHERE "blog_article2tag"."article_id" IN (1, 2, 3, 4);


四、extra

extra(select=None, where=None, params=None, 
      tables=None, order_by=None, select_params=None)

有些情況下,Django的查詢語法難以簡單的表達複雜的 WHERE 子句,對於這種情況, Django 提供了 extra() QuerySet修改機制 — 它能在 QuerySet生成的SQL從句中註入新子句

extra可以指定一個或多個 參數,例如 select, where or tables. 這些參數都不是必須的,但是你至少要使用一個!要註意這些額外的方式對不同的資料庫引擎可能存在移植性問題.(因為你在顯式的書寫SQL語句),除非萬不得已,儘量避免這樣做

1、參數之select

The select 參數可以讓你在 SELECT 從句中添加其他欄位信息,它應該是一個字典,存放著屬性名到 SQL 從句的映射。

queryResult=models.Article.objects.extra(select={'is_recent': "create_time > '2017-09-05'"})

結果集中每個 Entry 對象都有一個額外的屬性is_recent, 它是一個布爾值,表示 Article對象的create_time 是否晚於2017-09-05.

練習:

# in sqlite:
    article_obj=models.Article.objects
              .filter(nid=1)
              .extra(select={"standard_time":"strftime('%%Y-%%m-%%d',create_time)"})
              .values("standard_time","nid","title")
    print(article_obj)
    # <QuerySet [{'title': 'MongoDb 入門教程', 'standard_time': '2017-09-03', 'nid': 1}]>


2、參數之where / tables

您可以使用where定義顯式SQL WHERE子句 - 也許執行非顯式連接。您可以使用tables手動將表添加到SQL FROM子句。

wheretables都接受字元串列表。所有where參數均為“與”任何其他搜索條件。

舉例來講:

queryResult=models.Article.objects.extra(where=['nid in (1,3) OR title like "py%" ','nid>2'])


五、整體插入

創建對象時,儘可能使用bulk_create()來減少SQL查詢的數量。例如:

Entry.objects.bulk_create([
    Entry(headline="Python 3.0 Released"),
    Entry(headline="Python 3.1 Planned")
])

...更優於:

Entry.objects.create(headline="Python 3.0 Released")
Entry.objects.create(headline="Python 3.1 Planned")

註意該方法有很多註意事項,所以確保它適用於你的情況。

這也可以用在ManyToManyFields中,所以:

my_band.members.add(me, my_friend)

...更優於:

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

...其中Bands和Artists具有多對多關聯。


六、中介模型

處理類似搭配 pizza 和 topping 這樣簡單的多對多關係時,使用標準的ManyToManyField 就可以了。但是,有時你可能需要關聯數據到兩個模型之間的關係上。

例如,有這樣一個應用,它記錄音樂家所屬的音樂小組。我們可以用一個ManyToManyField 表示小組和成員之間的多對多關係。但是,有時你可能想知道更多成員關係的細節,比如成員是何時加入小組的。

對於這些情況,Django 允許你指定一個中介模型來定義多對多關係。 你可以將其他欄位放在中介模型裡面。源模型的ManyToManyField 欄位將使用through 參數指向中介模型。對於上面的音樂小組的例子,代碼如下:

from django.db import models
 
class Person(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=128)
 
    def __str__(self):              # __unicode__ on Python 2
        return self.name
 
class Group(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=128)
    members = models.ManyToManyField(Person, through='Membership')
 
    def __str__(self):              # __unicode__ on Python 2
        return self.name
 
class Membership(models.Model):
    person = models.ForeignKey(Person)
    group = models.ForeignKey(Group)
    date_joined = models.DateField()
    invite_reason = models.CharField(max_length=64)

既然你已經設置好ManyToManyField 來使用中介模型(在這個例子中就是Membership),接下來你要開始創建多對多關係。你要做的就是創建中介模型的實例:

>>> ringo = Person.objects.create(name="Ringo Starr")
>>> paul = Person.objects.create(name="Paul McCartney")
>>> beatles = Group.objects.create(name="The Beatles")
>>> m1 = Membership(person=ringo, group=beatles,
...     date_joined=date(1962, 8, 16),
...     invite_reason="Needed a new drummer.")
>>> m1.save()
>>> beatles.members.all()
[<Person: Ringo Starr>]
>>> ringo.group_set.all()
[<Group: The Beatles>]
>>> m2 = Membership.objects.create(person=paul, group=beatles,
...     date_joined=date(1960, 8, 1),
...     invite_reason="Wanted to form a band.")
>>> beatles.members.all()
[<Person: Ringo Starr>, <Person: Paul McCartney>]

與普通的多對多欄位不同,你不能使用addcreate和賦值語句(比如,beatles.members = [...])來創建關係:

# THIS WILL NOT WORK
>>> beatles.members.add(john)
# NEITHER WILL THIS
>>> beatles.members.create(name``=``"George Harrison"``)
# AND NEITHER WILL THIS
>>> beatles.members ``=` `[john, paul, ringo, george]

為什麼不能這樣做? 這是因為你不能只創建 PersonGroup之間的關聯關係,你還要指定 Membership模型中所需要的所有信息;而簡單的addcreate 和賦值語句是做不到這一點的。所以它們不能在使用中介模型的多對多關係中使用。此時,唯一的辦法就是創建中介模型的實例。

remove()方法被禁用也是出於同樣的原因。但是clear() 方法卻是可用的。它可以清空某個實例所有的多對多關係:

>>> # Beatles have broken up
>>> beatles.members.clear()
>>> # Note that this deletes the intermediate model instances
>>> Membership.objects.all()
[]





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