实例详解Django的 select_related 和 prefetch_related 函数对

这是本系列的第二篇,内容是 prefetch_related() 函数的用途、实现途径、以及使用方法。

3. prefetch_related()

对于多对多字段(ManyToManyField)和一对多字段,可以使用prefetch_related()来进行优化。或许你会说,没有一个叫OneToManyField的东西啊。实际上 ,ForeignKey就是一个多对一的字段,而被ForeignKey关联的字段就是一对多字段了。

作用和方法

prefetch_related()和select_related()的设计目的很相似,都是为了减少SQL查询的数量,但是实现的方式不一样。后者是通过JOIN语句,在SQL查询内解决问题。但是对于多对多关系,使用SQL语句解决就显得有些不太明智,因为JOIN得到的表将会很长,会导致SQL语句运行时间的增加和内存占用的增加。若有n个对象,每个对象的多对多字段对应Mi条,就会生成Σ(n)Mi 行的结果表。

prefetch_related()的解决方法是,分别查询每个表,然后用Python处理他们之间的关系。继续以上边的例子进行说明,如果我们要获得张三所有去过的城市,使用prefetch_related()应该是这么做:

1234>>> zhangs = Person.objects.prefetch_related('visitation').get(firstname=u"张",lastname=u"三")>>> for city in zhangs.visitation.all() :...?? print city...

上述代码触发的SQL查询如下:

12345678910SELECT `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` = '张'); 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);

第一条SQL查询仅仅是获取张三的Person对象,第二条比较关键,它选取关系表`QSOptimize_person_visitation`中`person_id`为张三的行,然后和`city`表内联(INNER JOIN 也叫等值连接)得到结果表。

123456789101112131415+----+-----------+----------+-------------+-----------+| id | firstname | lastname | hometown_id | living_id |+----+-----------+----------+-------------+-----------+|? 1 | 张??????? | 三?????? |?????????? 3 |???????? 1 |+----+-----------+----------+-------------+-----------+1 row in set (0.00 sec)+-----------------------+----+-----------+-------------+| _prefetch_related_val | id | name????? | province_id |+-----------------------+----+-----------+-------------+|???????????????????? 1 |? 1 | 武汉市??? |?????????? 1 ||???????????????????? 1 |? 2 | 广州市??? |?????????? 2 ||???????????????????? 1 |? 3 | 十堰市??? |?????????? 1 |+-----------------------+----+-----------+-------------+3 rows in set (0.00 sec)

显然张三武汉、广州、十堰都去过。

又或者,我们要获得湖北的所有城市名,可以这样:

1234>>> hb = Province.objects.prefetch_related('city_set').get(name__iexact=u"湖北省")>>> for city in hb.city_set.all():...?? city.name...

触发的SQL查询:

1234567SELECT `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:

1234567891011121314+----+-----------+| id | name????? |+----+-----------+|? 1 | 湖北省??? |+----+-----------+1 row in set (0.00 sec)+----+-----------+-------------+| id | name????? | province_id |+----+-----------+-------------+|? 1 | 武汉市??? |?????????? 1 ||? 3 | 十堰市??? |?????????? 1 |+----+-----------+-------------+2 rows in set (0.00 sec)

我们可以看见,prefetch使用的是 IN 语句实现的。这样,在QuerySet中的对象数量过多的时候,根据数据库特性的不同有可能造成性能问题。

使用方法*lookups 参数

prefetch_related()在Django < 1.7 只有这一种用法。和select_related()一样,prefetch_related()也支持深度查询,例如要获得所有姓张的人去过的省:

12345>>> zhangs = Person.objects.prefetch_related('visitation__province').filter(firstname__iexact=u'张')>>> for i in zhangs:...?? for city in i.visitation.all():...???? print city.province...

触发的SQL:

12345678910111213SELECT `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 '张' ;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);

获得的结果:

12345678910111213141516171819202122232425+----+-----------+----------+-------------+-----------+| id | firstname | lastname | hometown_id | living_id |+----+-----------+----------+-------------+-----------+|? 1 | 张??????? | 三?????? |?????????? 3 |???????? 1 ||? 4 | 张??????? | 六?????? |?????????? 2 |???????? 2 |+----+-----------+----------+-------------+-----------+2 rows in set (0.00 sec)+-----------------------+----+-----------+-------------+| _prefetch_related_val | id | name????? | province_id |+-----------------------+----+-----------+-------------+|???????????????????? 1 |? 1 | 武汉市??? |?????????? 1 ||???????????????????? 1 |? 2 | 广州市??? |?????????? 2 ||???????????????????? 4 |? 2 | 广州市??? |?????????? 2 ||???????????????????? 1 |? 3 | 十堰市??? |?????????? 1 |+-----------------------+----+-----------+-------------+4 rows in set (0.00 sec)+----+-----------+| id | name????? |+----+-----------+|? 1 | 湖北省??? ||? 2 | 广东省??? |+----+-----------+2 rows in set (0.00 sec)

值得一提的是,链式prefetch_related会将这些查询添加起来,就像1.7中的select_related那样。

要注意的是,在使用QuerySet的时候,一旦在链式操作中改变了数据库请求,之前用prefetch_related缓存的数据将会被忽略掉。这会导致Django重新请求数据库来获得相应的数据,从而造成性能问题。这里提到的改变数据库请求指各种filter()、exclude()等等最终会改变SQL代码的操作。而all()并不会改变最终的数据库请求,因此是不会导致重新请求数据库的。

举个例子,要获取所有人访问过的城市中带有“市”字的城市,这样做会导致大量的SQL查询:

12plist = Person.objects.prefetch_related('visitation')[p.visitation.filter(name__icontains=u"市") for p in plist]

因为数据库中有4人,导致了2+4次SQL查询:

1234567891011121314151617181920212223242526272829SELECT `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%' );

详细分析一下这些请求事件。

众所周知,QuerySet是lazy的,要用的时候才会去访问数据库。运行到第二行Python代码时,for循环将plist看做iterator,这会触发数据库查询。最初的两次SQL查询就是prefetch_related导致的。

虽然已经查询结果中包含所有所需的city的信息,但因为在循环体中对Person.visitation进行了filter操作,这显然改变了数据库请求。因此这些操作会忽略掉之前缓存到的数据,重新进行SQL查询。

但是如果有这样的需求了应该怎么办呢?在Django >= 1.7,可以通过下一节的Prefetch对象来实现,如果你的环境是Django < 1.7,可以在Python中完成这部分操作。

12plist = Person.objects.prefetch_related('visitation')[[city for city in p.visitation.all() if u"市" in city.name] for p in plist]

Prefetch 对象

在Django >= 1.7,可以用Prefetch对象来控制prefetch_related函数的行为。

注:由于我没有安装1.7版本的Django环境,本节内容是参考Django文档写的,没有进行实际的测试。

Prefetch对象的特征:

    一个Prefetch对象只能指定一项prefetch操作。Prefetch对象对字段指定的方式和prefetch_related中的参数相同,都是通过双下划线连接的字段名完成的。可以通过 queryset 参数手动指定prefetch使用的QuerySet。可以通过 to_attr 参数指定prefetch到的属性名。Prefetch对象和字符串形式指定的lookups参数可以混用。

继续上面的例子,获取所有人访问过的城市中带有“武”字和“州”的城市:

1234567wus = 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]

注:这段代码没有在实际环境中测试过,若有不正确的地方请指正。

顺带一提,Prefetch对象和字符串参数可以混用。

None

可以通过传入一个None来清空之前的prefetch_related。就像这样:

1>>> prefetch_cleared_qset = qset.prefetch_related(None)

小结

    prefetch_related主要针一对多和多对多关系进行优化。prefetch_related通过分别获取各个表的内容,然后用Python处理他们之间的关系来进行优化。可以通过可变长参数指定需要select_related的字段名。指定方式和特征与select_related是相同的。在Django >= 1.7可以通过Prefetch对象来实现复杂查询,但低版本的Django好像只能自己实现。作为prefetch_related的参数,Prefetch对象和字符串可以混用。prefetch_related的链式调用会将对应的prefetch添加进去,而非替换,似乎没有基于不同版本上区别。可以通过传入None来清空之前的prefetch_related。
实例详解Django的 select_related 和 prefetch_related 函数对

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