Python的Django框架中的select_related函数对QuerySet 查询的优化

1. 实例的背景说明

假定一个个人信息系统，需要记录系统中各个人的故乡、居住地、以及到过的城市。数据库设计如下：

Models.py 内容如下：

    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

注1：创建的app名为"QSOptimize"

注2：为了简化起见，qsoptimize_province 表中只有2条数据：湖北省和广东省，qsoptimize_city表中只有三条数据：武汉市、十堰市和广州市
2. select_related()

对于一对一字段（OneToOneField）和外键字段（ForeignKey），可以使用select_related 来对QuerySet进行优化
作用和方法

在对QuerySet使用select_related()函数后，Django会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了。以上例说明，如果我们需要打印数据库中的所有市及其所属省份，最直接的做法是：

    >>> citys = City.objects.all()
    >>> for c in citys:
    ...  print c.province
    ...

这样会导致线性的SQL查询，如果对象数量n太多，每个对象中有k个外键字段的话，就会导致n*k+1次SQL查询。在本例中，因为有3个city对象就导致了4次SQL查询：

    SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`
    FROM `QSOptimize_city`

    SELECT `QSOptimize_province`.`id`, `QSOptimize_province`.`name`
    FROM `QSOptimize_province`
    WHERE `QSOptimize_province`.`id` = 1 ;

    SELECT `QSOptimize_province`.`id`, `QSOptimize_province`.`name`
    FROM `QSOptimize_province`
    WHERE `QSOptimize_province`.`id` = 2 ;

    SELECT `QSOptimize_province`.`id`, `QSOptimize_province`.`name`
    FROM `QSOptimize_province`
    WHERE `QSOptimize_province`.`id` = 1 ;

注：这里的SQL语句是直接从Django的logger:'django.db.backends'输出出来的

如果我们使用select_related()函数：

    >>> citys = City.objects.select_related().all()
    >>> for c in citys:
    ...  print c.province
    ...

就只有一次SQL查询，显然大大减少了SQL查询的次数：

    SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`,
    `QSOptimize_city`.`province_id`, `QSOptimize_province`.`id`, `QSOptimize_province`.`name`
    FROM`QSOptimize_city`
    INNER JOIN `QSOptimize_province` ON (`QSOptimize_city`.`province_id` = `QSOptimize_province`.`id`) ;

这里我们可以看到，Django使用了INNER JOIN来获得省份的信息。顺便一提这条SQL查询得到的结果如下：

    +----+-----------+-------------+----+-----------+
    | id | name   | province_id | id | name   |
    +----+-----------+-------------+----+-----------+
    | 1 | 武汉市  |      1 | 1 | 湖北省  |
    | 2 | 广州市  |      2 | 2 | 广东省  |
    | 3 | 十堰市  |      1 | 1 | 湖北省  |
    +----+-----------+-------------+----+-----------+
    3 rows in set (0.00 sec)

使用方法
函数支持如下三种用法：
*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…。若要选择外键的外键需要使用两个下划线"__"来连接。

例如我们要获得张三的现居省份，可以用如下方式：

    >>> zhangs = Person.objects.select_related('living__province').get(firstname=u"张",lastname=u"三")
    >>> zhangs.living.province

触发的SQL查询如下：

    SELECT `QSOptimize_person`.`id`, `QSOptimize_person`.`firstname`,
    `QSOptimize_person`.`lastname`, `QSOptimize_person`.`hometown_id`, `QSOptimize_person`.`living_id`,
    `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`, `QSOptimize_city`.`province_id`, `QSOptimize_province`.`id`,
    `QSOptimize_province`.`name`
    FROM `QSOptimize_person`
    INNER JOIN `QSOptimize_city` ON (`QSOptimize_person`.`living_id` = `QSOptimize_city`.`id`)
    INNER JOIN `QSOptimize_province` ON (`QSOptimize_city`.`province_id` = `QSOptimize_province`.`id`)
    WHERE (`QSOptimize_person`.`lastname` = '三' AND `QSOptimize_person`.`firstname` = '张' );

可以看到，Django使用了2次 INNER JOIN 来完成请求，获得了city表和province表的内容并添加到结果表的相应列，这样在调用 zhangs.living的时候也不必再次进行SQL查询。

    +----+-----------+----------+-------------+-----------+----+-----------+-------------+----+-----------+
    | id | firstname | lastname | hometown_id | living_id | id | name   | province_id | id | name   |
    +----+-----------+----------+-------------+-----------+----+-----------+-------------+----+-----------+
    | 1 | 张    | 三    |      3 |     1 | 1 | 武汉市  |  1     | 1 | 湖北省  |
    +----+-----------+----------+-------------+-----------+----+-----------+-------------+----+-----------+
    1 row in set (0.00 sec)

然而，未指定的外键则不会被添加到结果中。这时候如果需要获取张三的故乡就会进行SQL查询了：

    >>> zhangs.hometown.province

    SELECT `QSOptimize_city`.`id`, `QSOptimize_city`.`name`,
    `QSOptimize_city`.`province_id`
    FROM `QSOptimize_city`
    WHERE `QSOptimize_city`.`id` = 3 ;

    SELECT `QSOptimize_province`.`id`, `QSOptimize_province`.`name`
    FROM `QSOptimize_province`
    WHERE `QSOptimize_province`.`id` = 1

同时，如果不指定外键，就会进行两次查询。如果深度更深，查询的次数更多。

值得一提的是，从Django 1.7开始，select_related()函数的作用方式改变了。在本例中，如果要同时获得张三的故乡和现居地的省份，在1.7以前你只能这样做：

    >>> zhangs = Person.objects.select_related('hometown__province','living__province').get(firstname=u"张",lastname=u"三")
    >>> zhangs.hometown.province
    >>> zhangs.living.province

但是1.7及以上版本，你可以像和queryset的其他函数一样进行链式操作：

    >>> zhangs = Person.objects.select_related('hometown__province').select_related('living__province').get(firstname=u"张",lastname=u"三")
    >>> zhangs.hometown.province
    >>> zhangs.living.province

如果你在1.7以下版本这样做了，你只会获得最后一个操作的结果，在本例中就是只有现居地而没有故乡。在你打印故乡省份的时候就会造成两次SQL查询。
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。以本例说明：

    >>> zhangs = Person.objects.select_related(depth = d)

d=1 相当于 select_related('hometown','living')

d=2 相当于 select_related('hometownprovince','livingprovince')
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。例如：zhangs = Person.objects.select_related().get(firstname=u"张",lastname=u"三")。但要注意两点：

Django本身内置一个上限，对于特别复杂的表关系，Django可能在你不知道的某处跳出递归，从而与你想的做法不一样。具体限制是怎么工作的我表示不清楚。  
Django并不知道你实际要用的字段有哪些，所以会把所有的字段都抓进来，从而会造成不必要的浪费而影响性能。

小结

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。