Django 中的 n+1 問題入門教學筆記

前言

Django 作為一個功能完整的 Python Web 框架，其 ORM（Object-Relational Mapping）能讓開發者以物件導向方式操作資料庫。然而，這樣的便利也容易隱藏一些效能陷阱，其中最常見也最容易忽略的就是 n+1 查詢問題（n+1 query problem）。

n+1 問題會導致程式在執行查詢時產生大量多餘的 SQL 語句，影響效能並拖慢頁面載入速度，特別是在處理關聯資料時（如 ForeignKey 或 ManyToManyField）。本篇筆記將帶你認識 n+1 問題在 Django 中的成因、辨識方法與解法。

重點摘要

• n+1 問題定義：查詢一個主物件（n 筆），卻對每筆物件再執行一次額外查詢，總共造成 n+1 次查詢。

• 常見發生情境：在模板或程式中存取 ForeignKey 或 ManyToManyField 時，未預先載入（eager loading）相關資料。

• 效能影響：每個物件觸發一次額外 SQL，當資料量增加時，查詢數可能達到數百次以上。

• 解法：

  • 使用 select_related() 預先載入「多對一」與「一對一」的關聯。
  • 使用 prefetch_related() 預先載入「一對多」與「多對多」的關聯。

• 如何偵測 n+1 問題：

  • 開啟 django.db.backends 日誌觀察查詢數量與內容。
  • 使用 Django Debug Toolbar 查看 SQL 查詢次數與細節。

實際範例：部落格文章與作者

假設有以下兩個模型：

# models.py
class Author(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)

class Post(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    content = models.TextField()
    author = models.ForeignKey(Author, on_delete=models.CASCADE)

n+1 問題範例

# views.py
def post_list(request):
    posts = Post.objects.all()
    return render(request, "blog/post_list.html", {"posts": posts})

{# post_list.html #}
<ul>
  {% for post in posts %}
    <li>{{ post.title }} - {{ post.author.name }}</li>
  {% endfor %}
</ul>

這段程式會發生 n+1 問題：

• 第一次查詢取得所有文章 SELECT * FROM post
• 每篇文章查詢一次作者 SELECT * FROM author WHERE id = ?

如果有 100 篇文章，總共會執行 101 次查詢。

解法一：使用 select_related()

# views.py（改進）
def post_list(request):
    posts = Post.objects.select_related("author").all()
    return render(request, "blog/post_list.html", {"posts": posts})

select_related 會使用 SQL JOIN 一次把作者資料一起載入。查詢數減少為 1 次：

SELECT post.*, author.*
FROM post
JOIN author ON post.author_id = author.id;

這種方式適合用於 ForeignKey（多對一）與 OneToOneField 關聯。

解法二：使用 prefetch_related()

若改為一對多或多對多關係，例如：

class Tag(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=30)

class Post(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    tags = models.ManyToManyField(Tag)

如果在模板中使用：

{% for post in posts %}
  {{ post.title }}:
  {% for tag in post.tags.all %}
    {{ tag.name }}
  {% endfor %}
{% endfor %}

這樣會產生 n+1 查詢問題（每個 post 查一次 tag）。解法：

posts = Post.objects.prefetch_related("tags").all()

prefetch_related() 會先查出所有關聯，再用 Python 記憶體關聯對應資料，不用 JOIN。

SELECT * FROM post;
SELECT * FROM post_tags WHERE post_id IN (...);
SELECT * FROM tag WHERE id IN (...);

select_related 與 prefetch_related 差異整理

如何偵測與除錯 n+1 問題

1. 開啟 SQL 日誌：
   在 settings.py 中設定：

   LOGGING = { "version": 1, "handlers": { "console": { "class": "logging.StreamHandler", }, }, "loggers": { "django.db.backends": { "handlers": ["console"], "level": "DEBUG", }, }, }

2. 使用 Django Debug Toolbar：
   安裝與設定後可視覺化查詢次數與內容。

3. 查看 QuerySet 查詢次數：
   使用 len(connection.queries) 或中間件分析每個 request 的查詢數。

總結

n+1 問題是 Django ORM 中最常見的效能陷阱之一，但只要了解其原理與解法，透過 select_related() 和 prefetch_related() 搭配得當，幾乎可以完全避免這個問題。

掌握以下原則即可：

• 遇到 ForeignKey 或 OneToOne 時用 select_related()
• 遇到 ManyToMany 或反向 ForeignKey 時用 prefetch_related()
• 避免在模板中直接使用 .related_set.all() 未預先載入資料
• 對列表頁或頻繁查詢頁進行效能測試與 SQL 分析

良好的 ORM 使用習慣能大幅提升系統穩定性與使用者體驗，是每位 Django 開發者必備的基礎功。

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