Django的 select_related 和 prefetch_related 函数对 QuerySet 查询的优化

引言

　　在数据库存在外键的其情况下，使用select_related()和prefetch_related()很大程度上减少对数据库的请求次数以提高性能

1.实例准备

　　模型：

from django.db import models

# Create your models here.
# 书
class Book(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=32)
    publish_date = models.DateField(auto_now_add=True)
    price = models.DecimalField(max_digits=5, decimal_places=2)
    memo = models.TextField(null=True)
    # 创建外键，关联publish
    publisher = models.ForeignKey(to="Publisher", on_delete=models.CASCADE, related_name='books')
    # 创建多对多关联author
    author = models.ManyToManyField(to="Author")

    def __str__(self):
        return self.title

# 出版社
class Publisher(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=32)
    city = models.CharField(max_length=32)

    def __str__(self):
        return self.name

# 作者
class Author(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=32)
    age = models.IntegerField()
    phone = models.CharField(max_length=11)
    detail = models.OneToOneField(to="AuthorDetail", on_delete=models.CASCADE)

    def __str__(self):
        return self.name

# 作者详情
class AuthorDetail(models.Model):
    addr = models.CharField(max_length=64)
    email = models.EmailField()

1.select_related()

　　对于一对一字段（OneToOneField）和外键字段（ForeignKey）可以使用select_releated来优化QuerySet查询

示例：

　　1）未调用该方法时，查询所有书籍以及所在的出版社

book_obj = models.Book.objects.all()
# 打印所有书籍以及所在的出版社
for book in book_obj:
    print(book.publisher)

　　输出的日志信息

(0.000) SELECT @@SQL_AUTO_IS_NULL; args=None
(0.000) SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED; args=None
(0.001) SELECT `app_book`.`id`, `app_book`.`title`, `app_book`.`publish_date`, `app_book`.`price`, `app_book`.`memo`, `app_book`.`publisher_id` FROM `app_book`; args=()
南方传媒出版社
长沙电视出版社
长沙电视出版社
清华大学出版社
人民邮电出版社
(0.001) SELECT VERSION(); args=None
南方传媒出版社
(0.001) SELECT `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city` FROM `app_publisher` WHERE `app_publisher`.`id` = 1; args=(1,)
(0.001) SELECT `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city` FROM `app_publisher` WHERE `app_publisher`.`id` = 2; args=(2,)
(0.000) SELECT `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city` FROM `app_publisher` WHERE `app_publisher`.`id` = 2; args=(2,)
(0.000) SELECT `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city` FROM `app_publisher` WHERE `app_publisher`.`id` = 4; args=(4,)
(0.001) SELECT `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city` FROM `app_publisher` WHERE `app_publisher`.`id` = 3; args=(3,)
(0.000) SELECT `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city` FROM `app_publisher` WHERE `app_publisher`.`id` = 1; args=(1,)

Process finished with exit code 0

　　2）调用该方法时，查询所有书籍以及所在的出版社

book_obj = models.Book.objects.select_related().all()
for book in book_obj:
    print(book.publisher)

　　输出的日志信息　　

(0.001) SELECT @@SQL_AUTO_IS_NULL; args=None
(0.001) SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED; args=None
(0.001) SELECT `app_book`.`id`, `app_book`.`title`, `app_book`.`publish_date`, 
`app_book`.`price`, `app_book`.`memo`, `app_book`.`publisher_id`, `app_publisher`.`id`, 
`app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city` FROM `app_book` INNER JOIN `app_publisher` 
ON (`app_book`.`publisher_id` = `app_publisher`.`id`); args=()
南方传媒出版社
长沙电视出版社
长沙电视出版社
清华大学出版社
人民邮电出版社
南方传媒出版社

Process finished with exit code 0

结论：

　　在对QuerySet使用select_related()函数前，会出现线性的SQL查询，如果存在n个查询对象，每个对象存在k个外键字段时，就会出现n*k + 1 次SQL查询

　　在对QuerySet使用select_related()函数后，Django会在进行第一次查询时获取相应外键对应的对象，从而在之后需要的时候不必再查询数据库，只需要进行一次查询

　　3）相关参数

　　*fields参数，select_related() 接受可变长参数，每个参数是需要获取的外键（父表的内容）的字段名，以及外键的外键的字段名、外键的外键的外键等，若要选择外键的外键需要使用两个下划线“__”来连接　　　　

示例：通过外键获取书籍的出版社的详细地址

obj = models.Book.objects.select_related('publisher__detail').get(title='武林传奇')
print(obj.publisher.detail)
print(obj.publisher)

　　输出的日志信息　　　　

(0.000) SELECT @@SQL_AUTO_IS_NULL; args=None
(0.000) SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED; args=None
(0.000) SELECT VERSION(); args=None
(0.000) SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED; args=None
(0.001) SELECT `app_book`.`id`, `app_book`.`title`, `app_book`.`publish_date`, `app_book`.`price`, `app_book`.`memo`, `app_book`.`publisher_id`, `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city`, `app_publisher`.`detail_id`, `app_publisherdetail`.`id`, `app_publisherdetail`.`addr`, `app_publisherdetail`.`create_date` FROM `app_book` INNER JOIN`app_publisher` ON (`app_book`.`publisher_id` = `app_publisher`.`id`) INNER JOIN `app_publisherdetail` ON (`app_publisher`.`detail_id` = `app_publisherdetail`.`id`) WHERE `app_book`.`title` = '武林传奇'; args=('武林传奇',)
长沙南区
长沙电视出版社

结论：

　　Django使用了2次 INNER JOIN 来完成请求，获得了publisher表和publisherdetail表的内容并添加到结果表的相应列，再次调用这两个对象的时候也不必再次进行SQL查询；反之如是未指定的外键则会进行SQL查询，且深度更深，查询次数更多

　　depth参数，select_related() 接受depth参数，depth参数可以确定select_related的深度，Django会递归遍历指定深度内的所有的OneToOneField和ForeignKey

　　无参数，select_related() 也可以不加参数，这样表示要求Django尽可能深的select_related

总结：

1.select_related主要针一对一和多对一关系进行优化
2.select_related使用SQL的JOIN语句进行优化，通过减少SQL查询的次数来进行优化、提高性能
3.可以通过可变长参数指定需要select_related的字段名。也可以通过使用双下划线“__”连接字段名来实现指定的递归查询。没有指定的字段不会缓存，没有指定的深度不会缓存，如果要访问的话Django会再次进行SQL查询
4.也可以通过depth参数指定递归的深度，Django会自动缓存指定深度内所有的字段。如果要访问指定深度外的字段，Django会再次进行SQL查询
5.也接受无参数的调用，Django会尽可能深的递归查询所有的字段。但注意有Django递归的限制和性能的浪费
6.Django >= 1.7，链式调用的select_related相当于使用可变长参数。Django < 1.7，链式调用会导致前边的select_related失效，只保留最后一个

2.prefetch_releated()

　　对于多对多字段（ManyToManyField）和一对多(ForeignKey)字段，可使用prefetch_related()来进行优化，它和select_releated的设计目的相似，都是为了减少SQL的查询次数，但实现方式不一样，后者是通过JOIN语句在SQL查询内解决问题。但由于JOIN语句过于冗长，不适合解决多对多关系，会导致SQL语句运行时间的增加和内存占用增加

　　prefetch_releated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

示例：

book_obj = models.Book.objects.prefetch_related('publisher').get(title='七侠五义')
print(book_obj.publisher.detail)

　　输出的日志信息

(0.000) SELECT @@SQL_AUTO_IS_NULL; args=None
(0.001) SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED; args=None
(0.000) SELECT VERSION(); args=None
(0.000) SET SESSION TRANSACTION ISOLATION LEVEL READ COMMITTED; args=None
(0.000) SELECT `app_book`.`id`, `app_book`.`title`, `app_book`.`publish_date`, `app_book`.`price`, `app_book`.`memo`, `app_book`.`publisher_id` FROM `app_book` WHERE `app_book`.`title` = '七侠五义'; args=('七侠五义',)
(0.000) SELECT `app_publisher`.`id`, `app_publisher`.`name`, `app_publisher`.`city`, `app_publisher`.`detail_id` FROM `app_publisher` WHERE `app_publisher`.`id` IN (1); args=(1,)
(0.001) SELECT `app_publisherdetail`.`id`, `app_publisherdetail`.`addr`, `app_publisherdetail`.`create_date` FROM `app_publisherdetail` WHERE `app_publisherdetail`.`id` = 1; args=(1,)
广州天河区

Process finished with exit code 0

结论： 　　

　　可以看出，第一条查询语句拿到的要操作的对象，关键在于第二条拿到了要查询结果的条件也就是ID，第三行通过第二行拿到的ID进行结果查询

　　从第二条查询语句中可看出，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

　　*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

　　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

总结：

1.prefetch_related主要针一对多和多对多关系进行优化
2.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
3.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
4.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
5.作为prefetch_related的参数，Prefetch对象和字符串可以混用
6.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
7.可以通过传入None来清空之前的prefetch_related

归纳：

1.因为select_related()总是在单次SQL查询中解决问题，而prefetch_related()会对每个相关表进行SQL查询，因此select_related()的效率通常比后者高
2.鉴于第一条，尽可能的用select_related()解决问题。只有在select_related()不能解决问题的时候再去想prefetch_related()
3.可以在一个QuerySet中同时使用select_related()和prefetch_related()，从而减少SQL查询的次数
4.只有prefetch_related()之前的select_related()是有效的，之后的将会被无视掉