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Django中QuerySet查詢優化之prefetch_related詳解_python

作者：ccorz ? 更新時間： 2022-12-05 編程語言

前言

在數據庫有外鍵的時候，使用 select_related() 和 prefetch_related() 可以很好的減少數據庫請求的次數，從而提高性能。本文通過一個簡單的例子詳解這兩個函數的作用。雖然QuerySet的文檔中已經詳細說明了，但本文試圖從QuerySet觸發的SQL語句來分析工作方式，從而進一步了解Django具體的運作方式。

實例背景

假定一個個人信息系統，需要記錄系統中各個人的故鄉、居住地、以及到過的城市。數據庫設計如下：

models.py 內容:

from django.db import models

class Province(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=10)
    def __unicode__(self):
        return self.name

class City(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=5)
    province = models.ForeignKey(Province)
    def __unicode__(self):
        return self.name

class Person(models.Model):
    firstname  = models.CharField(max_length=10)
    lastname   = models.CharField(max_length=10)
    visitation = models.ManyToManyField(City, related\_name = "visitor")
    hometown   = models.ForeignKey(City, related\_name = "birth")
    living     = models.ForeignKey(City, related\_name = "citizen")
    def __unicode__(self):
        return self.firstname + self.lastname

PS:

注1：創建的app名為“QSOptimize”

注2：為了簡化起見，qsoptimize_province 表中只有2條數據：湖北省和廣東省，qsoptimize_city表中只有三條數據：武漢市、十堰市和廣州市 ?

prefetch_related()

對于多對多字段（ManyToManyField）和一對多字段，可以使用prefetch_related()來進行優化。或許你會說，沒有一個叫OneToManyField的東西啊。實際上，ForeignKey就是一個多對一的字段，而被ForeignKey關聯的字段就是一對多字段了。

作用和方法

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。后者是通過JOIN語句，在SQL查詢內解決問題。但是對于多對多關系，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內存占用的增加。若有n個對象，每個對象的多對多字段對應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，然后用Python處理他們之間的關系。繼續以上邊的例子進行說明，如果我們要獲得張三所有去過的城市，使用prefetch_related()應該是這么做：

>>> zhangs = Person.objects.prefetch_related('visitation').get(firstname=u"張",lastname=u"三")
>>> for city in zhangs.visitation.all() :
...   print city
...

上述代碼觸發的SQL查詢如下：

SELECT `QSOptimize_person`.`id`, `QSOptimize_person`.`firstname`,
`QSOptimize_person`.`lastname`, `QSOptimize_person`.`hometown_id`, `QSOptimize_person`.`living_id`?
FROM `QSOptimize_person`?
WHERE (`QSOptimize_person`.`lastname` = '三' ?AND `QSOptimize_person`.`firstname` = '張');?

SELECT (`QSOptimize_person_visitation`.`person_id`) AS `_prefetch_related_val`, `QSOptimize_city`.`id`,?
`QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`?
FROM `QSOptimize_city`?
INNER JOIN `QSOptimize_person_visitation` ON (`QSOptimize_city`.`id` = `QSOptimize_person_visitation`.`city_id`)
WHERE `QSOptimize_person_visitation`.`person_id` IN (1);

第一條SQL查詢僅僅是獲取張三的Person對象，第二條比較關鍵，它選取關系表QSOptimize_person_visitation中person_id為張三的行，然后和city表內聯（INNER JOIN 也叫等值連接）得到結果表。

+----+-----------+----------+-------------+-----------+
| id | firstname | lastname | hometown_id | living_id |
+----+-----------+----------+-------------+-----------+
| ?1 | 張 ? ? ? ?| 三 ? ? ? | ? ? ? ? ? 3 | ? ? ? ? 1 |
+----+-----------+----------+-------------+-----------+
1 row in set (0.00 sec)

+-----------------------+----+-----------+-------------+
| _prefetch_related_val | id | name      | province_id |
+-----------------------+----+-----------+-------------+
|                     1 |  1 | 武漢市    |           1 |
|                     1 |  2 | 廣州市    |           2 |
|                     1 |  3 | 十堰市    |           1 |
+-----------------------+----+-----------+-------------+
3 rows in set (0.00 sec)

顯然張三武漢、廣州、十堰都去過。

又或者，我們要獲得湖北的所有城市名，可以這樣：

>>> hb = Province.objects.prefetch_related('city_set').get(name__iexact=u"湖北省")
>>> for city in hb.city_set.all():
...   city.name
...

觸發的SQL查詢：

SELECT `QSOptimize_province`.`id`, `QSOptimize_province`.`name`?
FROM `QSOptimize_province`?
WHERE `QSOptimize_province`.`name` LIKE '湖北省' ;

SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`?
FROM `QSOptimize_city`?
WHERE `QSOptimize_city`.`province_id` IN (1);

得到的表：

+----+-----------+
| id | name ? ? ?|
+----+-----------+
| ?1 | 湖北省 ? ?|
+----+-----------+
1 row in set (0.00 sec)

+----+-----------+-------------+
| id | name ? ? ?| province_id |
+----+-----------+-------------+
| ?1 | 武漢市 ? ?| ? ? ? ? ? 1 |
| ?3 | 十堰市 ? ?| ? ? ? ? ? 1 |
+----+-----------+-------------+
2 rows in set (0.00 sec)

使用方法

*lookups 參數

prefetch_related()在Django < 1.7 只有這一種用法。和select_related()一樣，prefetch_related()也支持深度查詢，例如要獲得所有姓張的人去過的省：

>>> zhangs = Person.objects.prefetch_related('visitation__province').filter(firstname__iexact=u'張')
>>> for i in zhangs:
...   for city in i.visitation.all():
...     print city.province
...

觸發的SQL：

SELECT `QSOptimize_person`.`id`, `QSOptimize_person`.`firstname`,?
`QSOptimize_person`.`lastname`, `QSOptimize_person`.`hometown_id`, `QSOptimize_person`.`living_id`?
FROM `QSOptimize_person`?
WHERE `QSOptimize_person`.`firstname` LIKE '張' ;

SELECT (`QSOptimize_person_visitation`.`person_id`) AS `_prefetch_related_val`, `QSOptimize_city`.`id`,
`QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id` FROM `QSOptimize_city`?
INNER JOIN `QSOptimize_person_visitation` ON (`QSOptimize_city`.`id` = `QSOptimize_person_visitation`.`city_id`)
WHERE `QSOptimize_person_visitation`.`person_id` IN (1, 4);

SELECT `QSOptimize_province`.`id`, `QSOptimize_province`.`name`?
FROM `QSOptimize_province`?
WHERE `QSOptimize_province`.`id` IN (1, 2);

獲得的結果:

+----+-----------+----------+-------------+-----------+
| id | firstname | lastname | hometown_id | living_id |
+----+-----------+----------+-------------+-----------+
| ?1 | 張 ? ? ? ?| 三 ? ? ? | ? ? ? ? ? 3 | ? ? ? ? 1 |
| ?4 | 張 ? ? ? ?| 六 ? ? ? | ? ? ? ? ? 2 | ? ? ? ? 2 |
+----+-----------+----------+-------------+-----------+
2 rows in set (0.00 sec)

+-----------------------+----+-----------+-------------+
| _prefetch_related_val | id | name ? ? ?| province_id |
+-----------------------+----+-----------+-------------+
| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 | ?1 | 武漢市 ? ?| ? ? ? ? ? 1 |
| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 | ?2 | 廣州市 ? ?| ? ? ? ? ? 2 |
| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4 | ?2 | 廣州市 ? ?| ? ? ? ? ? 2 |
| ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 | ?3 | 十堰市 ? ?| ? ? ? ? ? 1 |
+-----------------------+----+-----------+-------------+
4 rows in set (0.00 sec)

+----+-----------+
| id | name ? ? ?|
+----+-----------+
| ?1 | 湖北省 ? ?|
| ?2 | 廣東省 ? ?|
+----+-----------+
2 rows in set (0.00 sec)

值得一提的是，鏈式prefetch_related會將這些查詢添加起來，就像1.7中的select_related那樣。

要注意的是，在使用QuerySet的時候，一旦在鏈式操作中改變了數據庫請求，之前用prefetch_related緩存的數據將會被忽略掉。這會導致Django重新請求數據庫來獲得相應的數據，從而造成性能問題。這里提到的改變數據庫請求指各種filter()、exclude()等等最終會改變SQL代碼的操作。而all()并不會改變最終的數據庫請求，因此是不會導致重新請求數據庫的。

舉個例子，要獲取所有人訪問過的城市中帶有“市”字的城市，這樣做會導致大量的SQL查詢：

plist = Person.objects.prefetch_related('visitation')
[p.visitation.filter(name__icontains=u"市") for p in plist]

因為數據庫中有4人，導致了2+4次SQL查詢：

SELECT `QSOptimize_person`.`id`, `QSOptimize_person`.`firstname`, `QSOptimize_person`.`lastname`,?
`QSOptimize_person`.`hometown_id`, `QSOptimize_person`.`living_id`?
FROM `QSOptimize_person`;

SELECT (`QSOptimize_person_visitation`.`person_id`) AS `_prefetch_related_val`, `QSOptimize_city`.`id`,
`QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`?
FROM `QSOptimize_city`?
INNER JOIN `QSOptimize_person_visitation` ON (`QSOptimize_city`.`id` = `QSOptimize_person_visitation`.`city_id`)
WHERE `QSOptimize_person_visitation`.`person_id` IN (1, 2, 3, 4);

SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`?
FROM `QSOptimize_city`?
INNER JOIN `QSOptimize_person_visitation` ON (`QSOptimize_city`.`id` = `QSOptimize_person_visitation`.`city_id`)?
WHERE(`QSOptimize_person_visitation`.`person_id` = 1 ?AND `QSOptimize_city`.`name` LIKE '%市%' );

SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`?
FROM `QSOptimize_city`?
INNER JOIN `QSOptimize_person_visitation` ON (`QSOptimize_city`.`id` = `QSOptimize_person_visitation`.`city_id`)?
WHERE (`QSOptimize_person_visitation`.`person_id` = 2 ?AND `QSOptimize_city`.`name` LIKE '%市%' );?

SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`?
FROM `QSOptimize_city`
INNER JOIN `QSOptimize_person_visitation` ON (`QSOptimize_city`.`id` = `QSOptimize_person_visitation`.`city_id`)?
WHERE (`QSOptimize_person_visitation`.`person_id` = 3 ?AND `QSOptimize_city`.`name` LIKE '%市%' );

SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`?
FROM `QSOptimize_city`?
INNER JOIN `QSOptimize_person_visitation` ON (`QSOptimize_city`.`id` = `QSOptimize_person_visitation`.`city_id`)?
WHERE (`QSOptimize_person_visitation`.`person_id` = 4 ?AND `QSOptimize_city`.`name` LIKE '%市%' );

詳細分析一下這些請求事件。

眾所周知，QuerySet是lazy的，要用的時候才會去訪問數據庫。運行到第二行Python代碼時，for循環將plist看做iterator，這會觸發數據庫查詢。最初的兩次SQL查詢就是prefetch_related導致的。

雖然已經查詢結果中包含所有所需的city的信息，但因為在循環體中對Person.visitation進行了filter操作，這顯然改變了數據庫請求。因此這些操作會忽略掉之前緩存到的數據，重新進行SQL查詢。

但是如果有這樣的需求了應該怎么辦呢？在Django >= 1.7，可以通過下一節的Prefetch對象來實現，如果你的環境是Django < 1.7，可以在Python中完成這部分操作。

plist = Person.objects.prefetch_related('visitation')
[[city for city in p.visitation.all() if u"市" in city.name] for p in plist]

Prefetch 對象

在Django >= 1.7，可以用Prefetch對象來控制prefetch_related函數的行為。

注：由于我沒有安裝1.7版本的Django環境，本節內容是參考Django文檔寫的，沒有進行實際的測試。

Prefetch對象的特征：

一個Prefetch對象只能指定一項prefetch操作。
Prefetch對象對字段指定的方式和prefetch_related中的參數相同，都是通過雙下劃線連接的字段名完成的。
可以通過 queryset 參數手動指定prefetch使用的QuerySet。
可以通過 to_attr 參數指定prefetch到的屬性名。
Prefetch對象和字符串形式指定的lookups參數可以混用。

繼續上面的例子，獲取所有人訪問過的城市中帶有“武”字和“州”的城市：

wus = City.objects.filter(name__icontains = u"武")
zhous = City.objects.filter(name__icontains = u"州")
plist = Person.objects.prefetch_related(
    Prefetch('visitation', queryset = wus, to_attr = "wu_city"),
    Prefetch('visitation', queryset = zhous, to_attr = "zhou_city"),)
[p.wu_city for p in plist]
[p.zhou_city for p in plist]

順帶一提，Prefetch對象和字符串參數可以混用。

None

可以通過傳入一個None來清空之前的prefetch_related。就像這樣：

>>> prefetch_cleared_qset = qset.prefetch_related(None)

總結

prefetch_related主要針一對多和多對多關系進行優化。
prefetch_related通過分別獲取各個表的內容，然后用Python處理他們之間的關系來進行優化。
可以通過可變長參數指定需要select_related的字段名。指定方式和特征與select_related是相同的。
在Django >= 1.7可以通過Prefetch對象來實現復雜查詢，但低版本的Django好像只能自己實現。
作為prefetch_related的參數，Prefetch對象和字符串可以混用。
prefetch_related的鏈式調用會將對應的prefetch添加進去，而非替換，似乎沒有基于不同版本上區別。
可以通過傳入None來清空之前的prefetch_related。

原文鏈接：https://www.cnblogs.com/ccorz/p/6097171.html

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目錄

前言

實例背景

prefetch_related()

作用和方法

使用方法

*lookups 參數

Prefetch 對象

None

總結

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實例背景

prefetch_related()

作用和方法

使用方法

*lookups 參數

Prefetch 對象

None

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