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ORM(对象关系映射)中的“N + 1选择问题”是什么？

2023-04-17 10:16:00

What is the “N+1 selects problem” in ORM (Object-Relational Mapping)?

"N + 1选择问题"通常被称为对象关系映射(ORM)讨论中的一个问题，我理解它必须为对象中看起来很简单的事情做出大量的数据库查询。世界。

有没有人对这个问题有更详细的解释？

假设您有一组Car对象(数据库行)，每个Car都有一个Wheel对象(也是行)的集合。换句话说，Car - > Wheel是1对多的关系。

现在，假设您需要遍历所有车辆，并为每个车辆打印出车轮列表。天真的O / R实现将执行以下操作：

1	SELECT * FROM Cars;

然后为每个Car：

1	SELECT * FROM Wheel WHERE CarId = ?

换句话说，您有一个选择汽车，然后N个额外选择，其中N是汽车总数。

或者，可以获得所有轮子并在内存中执行查找：

1	SELECT * FROM Wheel

这减少了从N + 1到2的数据库往返次数。
大多数ORM工具为您提供了几种防止N + 1选择的方法。

参考：Java Persistence with Hibernate，第13章。

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SELECT
table1.*
, table2.*
INNER JOIN table2 ON table2.SomeFkId = table1.SomeId

这会得到一个结果集，其中table2中的子行通过返回table2中每个子行的table1结果而导致重复。 O / R映射器应根据唯一键字段区分table1实例，然后使用所有table2列填充子实例。

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SELECT table1.*

SELECT table2.* WHERE SomeFkId = #

N + 1是第一个查询填充主对象的位置，第二个查询填充返回的每个唯一主对象的所有子对象。

考虑：

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class House
{
int Id { get; set; }
string Address { get; set; }
Person[] Inhabitants { get; set; }
}

class Person
{
string Name { get; set; }
int HouseId { get; set; }
}

和具有类似结构的表格。地址"22 Valley St"的单个查询可能会返回：

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Id Address Name HouseId
1 22 Valley St Dave 1
1 22 Valley St John 1
1 22 Valley St Mike 1

O / RM应该填充ID = 1，Address ="22 Valley St"的Home实例，然后用Dave，John和Mike的People实例填充Inhabitants数组，只需一个查询。

对上面使用的相同地址的N + 1查询将导致：

1 2	Id Address 1 22 Valley St

用一个单独的查询

1	SELECT * FROM Person WHERE HouseId = 1

并产生一个单独的数据集

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Name HouseId
Dave 1
John 1
Mike 1

并且最终结果与单个查询的上述相同。

单一选择的优点是您可以预先获得所有数据，这可能是您最终想要的。 N + 1的优点是减少了查询复杂性，并且您可以使用延迟加载，其中子结果集仅在第一次请求时加载。

与产品具有一对多关系的供应商。一个供应商拥有(供应)许多产品。

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***** Table: Supplier *****
+-----+-------------------+
| ID | NAME |
+-----+-------------------+
| 1 | Supplier Name 1 |
| 2 | Supplier Name 2 |
| 3 | Supplier Name 3 |
| 4 | Supplier Name 4 |
+-----+-------------------+

***** Table: Product *****
+-----+-----------+--------------------+-------+------------+
| ID | NAME | DESCRIPTION | PRICE | SUPPLIERID |
+-----+-----------+--------------------+-------+------------+
|1 | Product 1 | Name for Product 1 | 2.0 | 1 |
|2 | Product 2 | Name for Product 2 | 22.0 | 1 |
|3 | Product 3 | Name for Product 3 | 30.0 | 2 |
|4 | Product 4 | Name for Product 4 | 7.0 | 3 |
+-----+-----------+--------------------+-------+------------+

影响因素：

供应商的懒惰模式设置为"true"(默认)
用于在Product上查询的获取模式是Select
获取模式(默认)：访问供应商信息
缓存第一次没有发挥作用
访问供应商

获取模式为Select Fetch(默认)

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// It takes Select fetch mode as a default
Query query = session.createQuery("from Product p");
List list = query.list();
// Supplier is being accessed
displayProductsListWithSupplierName(results);

select ... various field names ... from PRODUCT
select ... various field names ... from SUPPLIER where SUPPLIER.id=?
select ... various field names ... from SUPPLIER where SUPPLIER.id=?
select ... various field names ... from SUPPLIER where SUPPLIER.id=?

结果：

1选择产品声明
N选择供应商的声明

这是N + 1选择问题！

我不能直接评论其他答案，因为我没有足够的声誉。但值得注意的是，问题基本上只会产生，因为从历史上看，许多dbms在处理连接方面都很差(MySQL是一个特别值得注意的例子)。所以n + 1通常比连接快得多。然后有一些方法可以改进n + 1，但仍然不需要连接，这是原始问题所涉及的。

但是，MySQL现在比以前的连接要好得多。当我第一次学习MySQL时，我使用了很多连接。然后我发现它们有多慢，并在代码中切换到n + 1。但是，最近，我一直在回到加入，因为MySQL在处理它们时比我刚开始使用它时要好得多。

目前，在性能方面，对正确索引的表集合的简单连接很少成为问题。如果它确实给性能带来了影响，那么使用索引提示通常会解决它们。

这是由MySQL开发团队之一讨论的：

http://jorgenloland.blogspot.co.uk/2013/02/dbt-3-q3-6-x-performance-in-mysql-5610.html

所以摘要是：如果你因为MySQL的糟糕表现而过去一直在避免加入，那么再试一次最新版本。你可能会感到惊喜。

由于这个问题，我们离开了Django的ORM。基本上，如果你尝试做

1 2	for p in person: print p.car.colour

ORM将很乐意返回所有人(通常作为Person对象的实例)，但随后它将需要查询每个Person的car表。

一种简单而有效的方法是我称之为"粉丝折叠"，它避免了一种荒谬的想法，即来自关系数据库的查询结果应该映射回构成查询的原始表。

第1步：广泛选择

1	select * from people_car_colour; # this is a view or sql function

这将返回类似的东西

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p.id | p.name | p.telno | car.id | car.type | car.colour
-----+--------+---------+--------+----------+-----------
2 | jones | 2145 | 77 | ford | red
2 | jones | 2145 | 1012 | toyota | blue
16 | ashby | 124 | 99 | bmw | yellow

第2步：客观化

将结果吸收到通用对象创建器中，并在第三个项目后分割参数。这意味着"jones"对象不会多次出现。

第3步：渲染

1 2	for p in people: print p.car.colour # no more car queries

有关python的fanfolding的实现，请参阅此网页。

假设您有公司和员工。公司有许多员工(即员工有一个字段COMPANY_ID)。

在一些O / R配置中，当你有一个映射的Company对象并且去访问它的Employee对象时，O / R工具会为每个员工做一个选择，如果你只是在直接SQL中做事，你可以。因此N(员工人数)加1(公司)

这就是EJB Entity Beans的初始版本的工作方式。我相信像Hibernate这样的东西已经废除了这个，但我不太大多数工具通常都包含有关其映射策略的信息。

这是对问题的一个很好的描述 - https://web.archive.org/web/20160310145416/http://www.realsolve.co.uk/site/tech/hib-tip-pitfall.php?name=why-懒

现在您已经了解了这个问题，通常可以通过在查询中进行连接提取来避免它。这基本上强制获取延迟加载的对象，因此在一个查询中检索数据而不是n + 1个查询。希望这可以帮助。

查看关于主题的Ayende帖子：在NHibernate中解决选择N + 1问题

基本上，当使用像NHibernate或EntityFramework这样的ORM时，如果你有一对多(主 - 细节)关系，并希望列出每个主记录的所有细节，你必须对N + 1查询调用数据库，"N"是主记录的数量：1个查询获取所有主记录，N个查询(每个主记录一个)获取每个主记录的所有详细信息。

更多数据库查询调用 - >更多延迟时间 - >降低应用程序/数据库性能。

但是，ORM可以选择避免这个问题，主要是使用"连接"。

当您忘记获取关联然后需要访问它时，会发生N + 1查询问题：

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List<PostComment> comments = entityManager.createQuery(
"select pc" +
"from PostComment pc" +
"where pc.review = :review", PostComment.class)
.setParameter("review", review)
.getResultList();

LOGGER.info("Loaded {} comments", comments.size());

for(PostComment comment : comments) {
LOGGER.info("The post title is '{}'", comment.getPost().getTitle());
}

这会生成以下SQL语句：

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SELECT pc.id AS id1_1_, pc.post_id AS post_id3_1_, pc.review AS review2_1_
FROM post_comment pc
WHERE pc.review = 'Excellent!'

INFO - Loaded 3 comments

SELECT pc.id AS id1_0_0_, pc.title AS title2_0_0_
FROM post pc
WHERE pc.id = 1

INFO - The post title is 'Post nr. 1'

SELECT pc.id AS id1_0_0_, pc.title AS title2_0_0_
FROM post pc
WHERE pc.id = 2

INFO - The post title is 'Post nr. 2'

SELECT pc.id AS id1_0_0_, pc.title AS title2_0_0_
FROM post pc
WHERE pc.id = 3

INFO - The post title is 'Post nr. 3'

首先，Hibernate执行JPQL查询，并获取PostComment实体列表。

然后，对于每个PostComment，关联的post属性用于生成包含post标题的日志消息。

因为post关联未初始化，所以Hibernate必须使用辅助查询获取post实体，并且
对于N PostComment个实体，将执行N个更多查询(因此N + 1查询问题)。

首先，您需要正确的SQL日志记录和监视，以便您可以发现此问题。

其次，这种问题最好是通过集成测试来捕获。您可以使用自动JUnit断言来验证生成的SQL语句的预期计数。 db-unit项目已经提供了这个功能，它是开源的。

当您确定N + 1查询问题时，需要使用JOIN FETCH以便在一个查询中提取子关联，而不是N.如果需要获取多个子关联，最好在初始查询中获取一个集合第二个带有辅助SQL查询。

在我看来，用Hibernate陷阱写的文章：为什么关系应该是懒惰的，与真正的N + 1问题正好相反。

如果您需要正确的解释，请参阅Hibernate - 第19章：提高性能 - 获取策略

Select fetching (the default) is
extremely vulnerable to N+1 selects
problems, so we might want to enable
join fetching

提供的链接有一个非常简单的n + 1问题示例。如果你将它应用于Hibernate，它基本上是在谈论同样的事情。查询对象时，将加载实体，但任何关联(除非另外配置)都将延迟加载。因此，一个查询根对象，另一个查询加载每个对象的关联。返回100个对象意味着一个初始查询，然后100个额外的查询以获得每个n + 1的关联。

http://pramatr.com/2009/02/05/sql-n-1-selects-explained/

一位百万富翁有N辆车。你想得到所有(4)轮子。

一(1)个查询加载所有汽车，但是对于每个(N)汽车，提交单独的查询以加载车轮。

成本：

假设索引符合ram。

1 + N查询解析和规划+索引搜索和1 + N +(N * 4)板访问以加载有效载荷。

假设索引不适合ram。

最坏情况下的额外成本1 + N板加载索引。

摘要

瓶颈是板通道(在硬盘上每秒约70次随机访问)
对于有效载荷，急切的连接选择也将访问板1 + N +(N * 4)次。
因此，如果索引适合ram - 没问题，它的速度足够快，因为只涉及ram操作。

发出1个查询返回100个结果比发出100个查询每个返回1个结果要快得多。

N + 1选择问题很痛苦，在单元测试中检测这种情况是有意义的。
我开发了一个小型库，用于验证给定测试方法或任意代码块执行的查询数量 - JDBC Sniffer

只需在测试类中添加一个特殊的JUnit规则，并在测试方法上放置具有预期查询数量的注释：

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@Rule
public final QueryCounter queryCounter = new QueryCounter();

@Expectation(atMost = 3)
@Test
public void testInvokingDatabase() {
// your JDBC or JPA code
}

正如其他人所说的更优雅的问题是，您要么拥有OneToMany列的笛卡尔积，要么您正在进行N + 1选择。无论是可能的巨大结果集还是分别与数据库聊天。

我很惊讶这没有被提及，但这是我如何解决这个问题...我做了一个半临时的id表。当你有IN ()子句限制时，我也会这样做。

这并不适用于所有情况(可能甚至不是大多数情况)但如果你有很多子对象使得笛卡尔积会失控(即大量的OneToMany列)结果数量，它的效果特别好将是一个列的乘法)和它更多的批处理作业。

首先，将父对象ID作为批处理插入到ids表中。
这个batch_id是我们在应用程序中生成并保留的内容。

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INSERT INTO temp_ids
(product_id, batch_id)
(SELECT p.product_id, ?
FROM product p ORDER BY p.product_id
LIMIT ? OFFSET ?);

现在，对于每个OneToMany列，只需在子表INNER JOIN上使用WHERE batch_id=执行SELECT(反之亦然)。您只是想确保按id列进行排序，因为它会使合并结果列更容易(否则您将需要一个HashMap / Table用于整个结果集，这可能不是那么糟糕)。

然后你只需要定期清理ids表。

如果用户为某种批量处理选择说100个左右的不同项目，这也特别有效。将100个不同的ID放在临时表中。

现在，您正在执行的查询数量取决于OneToMany列的数量。

以Matt Solnit为例，假设您将Car和Wheels之间的关联定义为LAZY并且您需要一些Wheels字段。这意味着在第一次选择之后，休眠将执行"从车轮中选择* car_id =：id"FOR FOR EACH Car。

这使得第一个选择和每个N车选择更多1，这就是为什么它被称为n + 1问题。