背景

Web程序的后端主要有兩個東西：渲染（生成HTML，或數據序列化）和IO（數據庫操作，或內部服務調用）。今天要講的是后面那個，關注一下如何減少數據庫往返這個問題。最快的查詢是不存在的，沒有最快，只有更快！

開始講之前我得提一下Schema的重要性，但不會在這花太多時間。單獨一個因素不會影響程序的整體響應速度，有調數據的能力，比有一個好的數據（庫）Schema要強得多。這些東西以后會細講，但Schema問題常會限制你的選擇，所以現在提一下。

N+1 Selects問題

關于數據庫往返最常見又讓人吃驚的問題是n+1 selects問題。這個問題最簡單的形式包括一個有子對象的實體，和一對多的關系。下面是一個小例子。

from django.db import models  
 
 
class State(models.Model):  
    name = models.CharField(max_length=64)  
    country = models.ForeignKey(Country, related_name='states')  
 
    class Meta:  
        ordering = ('name',)  
 
 
class City(models.Model):  
    name = models.CharField(max_length=64)  
    state = models.ForeignKey(State, related_name='cities')  
 
    class Meta:  
        ordering = ('name',) 

上面定義了州跟市，一個州有0或多個市，這個例子程序用來打印一個州跟市的內聯列表。

Alaska  
    Anchorage  
    Fairbanks  
    Willow  
California  
    Berkeley  
    Monterey  
    Palo Alto  
    San Diego  
    San Francisco  
    Santa Cruz  
Kentucky  
    Albany  
    Monticello  
    Lexington  
    Louisville  
    Somerset  
    Stamping Ground 

要完成這個功能的代碼如下：

from django.shortcuts import render_to_response  
from django.template.context import RequestContext  
from locations.models import State  
 
def list_locations(request):  
    data = {'states': State.objects.all()}  
    return render_to_response('list_locations.html', data,  
                              RequestContext(request)) 

...  
<ul>  
{% for state in states %}  
<li>{{ state.name }}  
    <ul>  
        {% for city in state.cities.all %}  
        <li>{{ city.name }}</li>  
        {% endfor %}  
    </ul>  
</li>  
{% endfor %}  
</ul>  
... 

如果將上面的代碼跑起來，生成相應的HTML，通過django-debug-toolbar就會看到有一個用于列出全部的州查詢，然后對應每個州有一個查詢，用于列出這個州下面的市。如果只有3個州，這不是很多，但如果是50個，“+1”部分還是一個查詢，為了得到全部對應的市，“N"則變成了50。

2N+1 (不，這不算個事)

在開始搞這個N+1問題之前，我要給每個州加一個屬性，就是它所屬的國家。這就引入另一個一對多關系。每個州只能屬于一個國家。

Alaska (United States)  
... 

...  
 
class Country(models.Model):  
    name = models.CharField(max_length=64)  
 
class State(models.Model):  
    name = models.CharField(max_length=64)  
    country = models.ForeignKey(Country, related_name='states')  
 
... 

...  
<li>{{ state.name }} ({{ state.country.name }})  
... 

在django-debug-toolbar的SQL窗口里，能看到現在處理每個州時都得查詢一下它所屬的國家。注意，這里只能不停的檢索同一個州，因為這些州都是同一個國家的。

現在就有兩個有趣的問題了，這是每個Django ORM方案都要面對的問題。

#p#

select_related

states = State.objects.select_related('country').all() 

select_related通過在查詢主要對象（這里是州state）和其他對象（這里是國家country）之間的SQL做手腳起作用。這樣就可以省去為每個州都查一次國家。假如一次數據庫往返（網絡中轉->運行->返回）用時20ms，加起來的話共有N*20ms。如果N足夠大，這樣做挺費時的。

下面是新的檢索州的查詢：

SELECT ... FROM "locations_state" 
    INNER JOIN "locations_country" ON  
        ("locations_state"."country_id" = "locations_country"."id")  
    ORDER BY "locations_state"."name" ASC  
... 

用上面這個查詢取代舊的，能省去用來找國家的二級查詢。然而，這種解決有一個潛在的缺點，即反復的返回同一個國家對象，從而不得不一次又一次的將這一行傳給ORM代碼，生成大量重復的對象。等下我們還會再說說這個。

prefetch_related

states = State.objects.prefetch_related('country', 'cities').all() 

相反地， prefetch_related 的功能是收集關聯對象的全部id值，一次性批量獲取到它們，然后透明的附到相應的對象。這種方式最好的一個地方是能用在一對多關系中，比如本例中的州跟市。

下面是這種方式生成的SQL：

SELECT ... FROM "locations_state" ORDER BY "locations_state"."name" ASC  
SELECT ... FROM "locations_country" WHERE "locations_country"."id" IN (1)  
SELECT ... FROM "locations_city" 
    WHERE "locations_city"."state_id" IN (1, 2, 3)  
    ORDER BY "locations_city"."name" ASC 

這樣2N+1就變成3了。把N扔掉是個大進步。3 * 20ms總是會比(2 * 50 + 1) * 20ms  小，甚至比用select_related時的 (50 + 1) * 20ms也小。 

上面這個例子對國家跟市都采用了prefetch。前面說過這里的州都屬同一國家，用select_related獲得州記錄時，這意味著要取到并處理這一國家記錄N次。相反，用prefetch_related只要取一次。而這樣會引入一次額外的數據庫往返，有沒有可能綜合兩種方式，你得在你的機器及數據上試試。然而，在本例中同時用select_related 和 prefetch_related可以將時間降到2 * 20ms，這可能會比分3次查詢要快，但也有很多潛在因素要考慮。

states = State.objects.select_related('country') \  
    .prefetch_related('cities').all() 

 能支持多深的關系？

要跨多個級別時怎么辦？select_related 和prefetch_related都可以通過雙下劃線遍歷關系對象。用這個功能時，中間對象也會包括在內。這很有用，但在更復雜的對象模型中有點難用。 

# only works when there's a single object at each step  
city = City.objects.select_related('state__country').all()[0]  
# 1 query, no further db queries  
print('{0} - {1} - {2}'.format(city.name, city.state.name,  
                               city.state.country.name)  
 
# works for both single and multiple object relationships  
countries = Country.objects.prefetch_related('states__cities')  
# 3 queries, no further db queries  
for country in countries:  
    for state in country.states:  
        for city in state.cities:  
            print('{0} - {1} - {2}'.format(city.name, city.state.name,  
                                           city.state.country.name) 

prefetch_related用在原生查詢

最后一點。上周的 efficiently querying for nearby things 一文中，為了實現查找最近的經度/緯度點，我寫了一條復雜的SQL。其實最好的方法是寫一條原生的sql查詢 。而原生查詢不支持prefetch_related，挺可惜的。但有一個變通的方法，即可以直接用Django實現prefetch_related功能的prefetch_related_objects。

from django.db.models.query import prefetch_related_objects  
 
# prefetch_related_objects requires a list, it won't work on a QuerySet so  
# we need to convert with list()  
cities = list(City.objects.raw('<sql-query-for-nearby-cities>'))  
prefetch_related_objects(cities, ('state__country',))  
# 3 queries, no further db queries  
for city in cities:  
    print('{0} - {1} - {2}'.format(city.name, city.state.name,  
                                   city.state.country.name) 

這多牛呀！

英文原文：High Performance Web: Reducing Database Round Trips

譯文鏈接：http://www.oschina.net/translate/high-performance-web-reducing-database-round-trips