什么是N+1查询问题？

N+1查询问题是一种常见的性能瓶颈，主要表现是应用中需要执行大量查询。通常这是由于数据访问模式中的代码结构不佳导致的：先执行一个查询获取记录列表（1 查询），然后针对每个记录额外执行多个单独查询（N 查询）。这最终累积为 N+1 查询问题。

虽然乍看之下，多个小型查询似乎应该比一个大型复杂查询更轻量更快速，但实际上，多个查询需要与数据库进行多次交互，包括发送查询、数据库处理查询以及返回结果。

这不仅增加了延迟，还可能加重数据库的负担。而一个复杂的单一查询只需一次交互即可完成，并且往往可以通过数据库引擎优化执行效率。

因此，从整体性能角度来看，多个小查询通常比单次复杂查询效率更低。

一个 N+1 查询的示例

以下是一个示例应用场景。假设我们有两张表，分别是 items 表和 categories 表：

表结构如下：

categories 表：

id	name
1	Produce
2	Deli
3	Dairy

items 表：

id	name	category_id
1	Apples	1
2	Cheese	2
3	Bread	NULL

示例需求：

我们希望应用程序能够列出所有商品，同时显示它们所属的分类名称。

第一种实现方式（存在 N+1 问题）

例如，我们先查询分类列表，然后针对每个分类的商品单独执行查询（为了简化代码，这里采用Python的实现方式）：

import sqlite3

# 建立数据库连接
conn = sqlite3.connect("example.db")

# 查询分类
categories_query = "SELECT * FROM categories;"
categories_cursor = conn.execute(categories_query)

for category in categories_cursor.fetchall():
    category_id = category[0]
    category_name = category[1]

    # 显示分类名称
    print(f"Category: {category_name}")
    
    # 查询该分类的商品
    items_query = "SELECT id, name FROM items WHERE category_id = ? ORDER BY name;"
    items_cursor = conn.execute(items_query, (category_id,))
    
    for item in items_cursor.fetchall():
        # 显示商品 ID 和名称
        print(f"  Item ID: {item[0]}, Item Name: {item[1]}")

conn.close()

这种方法逻辑简单易懂，适合小规模数据场景。然而，它的问题是对每个分类的商品都进行了单独查询。假设分类表有 N 条记录，那么总共需要执行 N+1 次查询。面对大规模数据时，查询次数会急剧增多，导致响应时间变长。

性能对比：

假设数据库中有 800 个商品和 17 个分类表记录，这种方法需要执行 1 + 17 = 18 次查询，耗时约为 1 秒。而通过结合复杂 SQL 查询优化，可以显著减少查询次数并减少时间消耗。

使用 JOIN 优化 N+1 查询

我们可以利用 SQL 的 JOIN 语句，将多个查询合并为一个复杂查询，从而避免 N+1 问题。以下是优化后的代码：

import sqlite3

# 建立数据库连接
conn = sqlite3.connect("example.db")

# 使用 JOIN 查询分类和商品
query = """
    SELECT 
        c.id AS category_id, 
        c.name AS category_name, 
        i.id AS item_id, 
        i.name AS item_name
    FROM categories c
    LEFT JOIN items i ON c.id = i.category_id
    ORDER BY c.name, i.name;
"""
cursor = conn.execute(query)

last_category_id = None

for row in cursor.fetchall():
    category_id = row[0]
    category_name = row[1]
    item_id = row[2]
    item_name = row[3]

    # 如果分类发生变化，渲染分类名称
    if category_id != last_category_id:
        print(f"Category: {category_name}")

    # 显示商品信息（如果存在）
    if item_id is not None:
        print(f"  Item ID: {item_id}, Item Name: {item_name}")

    last_category_id = category_id

conn.close()

通过上述代码，我们将单次查询的结果直接按分类和商品合并，不再需要多次单独查询。响应时间从 1 秒降低到 0.16 秒。在数据量较大时，优势更加显著。

数据结构优化与复杂查询

对于更复杂的需求，比如需要展示分类及其商品数量，可以利用 SQL 的 GROUP BY 进行聚合查询：

聚合查询示例：

query = """
    SELECT 
        c.id AS category_id, 
        c.name AS category_name, 
        COUNT(i.id) AS item_count
    FROM categories c
    LEFT JOIN items i ON c.id = i.category_id
    GROUP BY c.id, c.name
    ORDER BY c.name;
"""

复杂数据结构：分类与商品列表

如果既需要商品数量，又需要展示商品详细信息，我们可以在服务器端对查询结果进行组织，将其转换为更符合应用需求的数据结构。例如，通过构造 字典嵌套：

import sqlite3

# 建立数据库连接
conn = sqlite3.connect("example.db")

# 查询分类及商品数据
query = """
    SELECT 
        c.id AS category_id, 
        c.name AS category_name, 
        i.id AS item_id, 
        i.name AS item_name
    FROM categories c
    LEFT JOIN items i ON c.id = i.category_id
    ORDER BY c.name, i.name;
"""
cursor = conn.execute(query)

categories = {}
category_items = []

last_category_id = None
last_category_name = None

for row in cursor.fetchall():
    category_id = row[0]
    category_name = row[1]
    item_id = row[2]
    item_name = row[3]

    # 在分类发生变化时，将当前分类的商品数据存储
    if last_category_id is not None and category_id != last_category_id:
        categories[last_category_name] = category_items
        category_items = []

    # 添加商品信息到当前分类
    if item_id is not None:
        category_items.append({"item_id": item_id, "item_name": item_name})

    last_category_id = category_id
    last_category_name = category_name

categories[last_category_name] = category_items

# 渲染数据
for category_name, items in categories.items():
    print(f"Category: {category_name}")
    print(f"{len(items)} items")

    for item in items:
        print(f"  Item ID: {item['item_id']}, Item Name: {item['item_name']}")

conn.close()