Django 中的 prefetch_related：讓查詢更高效的利器

更新日期： 2024 年 12 月 25 日

在使用 Django 開發時，你可能會遇到數據庫查詢效率的問題，尤其是與關聯對象進行多次查詢時。

為了提升查詢性能，Django 提供了一個非常強大的工具：prefetch_related。

本文將帶你了解什麼是 prefetch_related，它的作用，以及如何正確使用它來解決查詢效率問題。

什麼是 N+1 查詢問題？

假設我們有一個模型 Category，每個分類（Category）下關聯著多個服務（Service）。

在查詢所有分類及其服務時，Django 默認會執行以下操作：

1. 查詢所有分類（1 次查詢）。
2. 對於每個分類，單獨查詢其關聯的服務（N 次查詢）。

如果有 10 個分類，總共會執行 1 + 10 = 11 次查詢。

這種因多次查詢導致的性能問題被稱為 N+1 查詢問題。

直觀比喻：理解 prefetch_related

為了讓你更直觀地理解，我們用一個商店的例子來比喻：

1. 逐步詢問 (Category.objects.all())：
   • 你先問商店：「有哪些類別？」
   • 然後針對每個類別，逐一再去問：「這個類別有哪些商品？」
   • 如果有 10 個類別，你需要問商店 1 次獲取類別清單，接著 10 次問商品清單。
2. 一次搞定 (Category.objects.prefetch_related("services"))：
   • 你問商店：「請一次告訴我所有類別，並同時給我每個類別的商品清單。」
   • 商店一次就準備好所有數據給你。

這樣處理後，無論類別有多少，查詢次數都保持最小化。

現在看它們在實際 Django 查詢中的差異。

實際例子：查詢分類與服務

假設你的資料庫中有以下內容：

• 3 個分類：
  1. Electronics
  2. Books
  3. Clothing
• 每個分類下有一些服務（Service）。

示例 1：未使用 prefetch_related

以下代碼示範了未使用 prefetch_related 時的查詢方式：

categories = Category.objects.all()
for category in categories:
    print(category.name)
    print(category.services.all())  # 預設關聯的名稱

執行的查詢次數如下：

1. 查詢 1 次：獲取所有分類

SELECT * FROM category;

2. 每個分類再查詢一次服務（假設有 3 個分類，就查詢 3 次）：

SELECT * FROM service WHERE category_id = 1;
SELECT * FROM service WHERE category_id = 2;
SELECT * FROM service WHERE category_id = 3;

總查詢次數：1 + 3 = 4 次

示例 2：使用 prefetch_related

使用 prefetch_related 後，可以顯著減少查詢次數：

categories = Category.objects.prefetch_related("services")
for category in categories:
    print(category.name)
    print(category.services.all())  # 從內存中獲取，無需查詢

執行的查詢次數如下：

1. 查詢 1 次：獲取所有分類

SELECT * FROM category;

2. 查詢 1 次：一次性獲取所有服務，並在 Python 層分配到對應分類

SELECT * FROM service WHERE category_id IN (1, 2, 3);

總查詢次數：1 + 1 = 2 次

為什麼 prefetch_related 更高效？

1. 減少查詢次數：
   • 如果分類數量很大（例如 1000 個分類），每個分類都需要查詢它的服務時，Category.objects.all() 會執行 1001 次查詢。
   • 而 Category.objects.prefetch_related("services") 只需要 2 次查詢。
2. 預加載和緩存：
   • prefetch_related 將所有數據一次性載入到內存，然後分配到每個分類中。
   • 從分類訪問服務時，是直接從緩存中獲取，而不是再次查詢數據庫。

prefetch_related 與 select_related 的區別

prefetch_related 和 select_related 都是用來優化查詢的工具，但適用場景不同：

例如：

• select_related 適合查詢單對單關係，如 Book 和 Author。
• prefetch_related 適合查詢多對多關係，如 Category 和 Service。

實際應用與效益分析

假設你的資料庫中有 1000 個分類，每個分類有 10 個服務：

1. 未使用 prefetch_related：
   • 查詢次數：1 + 1000（分類數）= 1001 次。
2. 使用 prefetch_related：
   • 查詢次數：1（分類）+ 1（服務）= 2 次。

隨著數據量的增大，prefetch_related 的性能優勢越發明顯。

小結

核心要點

• prefetch_related 的作用：
  • 預加載關聯對象，減少數據庫查詢次數。
  • 解決 N+1 查詢問題。
• 適用場景：
  • 多對多關係。
  • 反向外鍵查詢。

高效查詢的建議

1. 使用 select_related 查詢一對一或外鍵關係。
2. 使用 prefetch_related 查詢多對多或反向關聯。

通過靈活運用 prefetch_related 和 select_related，你可以顯著提升 Django 應用的查詢效率！