什么是 N+1 查询问题及如何解决？
什么是 N+1 查询问题？
N+1 查询问题的主要表现是应用中会执行大量查询，通常这是由于代码结构不合理导致：先执行一个查询获取记录列表，然后对这些记录中的每一个执行单独的查询。
尽管在表面上，小查询看起来应该更快，而大而复杂的查询可能会更慢，但实际上情况往往相反。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；而一个复杂的单一查询只需与数据库交互一次，并且可由数据库优化，通常比多个小查询快得多。
一个 N+1 查询的示例
以下是一个示例应用场景。假设我们有一个 PlanetScale 数据库，其中包含一个 items 表和一个 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：
我们希望应用列出所有的商品，同时显示其所在的分类名称。
第一种实现方式是先查询分类列表，然后对每个分类的商品分别查询：
第一步：查询分类
$dbh = new Dbh(); $conn = $dbh->connect(); $sql = "SELECT * FROM categories;"; $stmt = $conn->prepare($sql); $stmt->execute();
第二步：对每个分类查询商品
while ($row = $stmt->fetch()) {
// 显示分类名称
echo $row['name'];
// 查询该分类的商品
$sql = "
SELECT id, name FROM items
WHERE category_id = :category_id
ORDER BY name;
";
$stmt2 = $conn->prepare($sql);
$stmt2->bindParam(':category_id', $row['id']);
$stmt2->execute();
while ($row2 = $stmt2->fetch()) {
// 显示商品 ID 和名称
echo $row2['id'];
echo $row2['name'];
}
}
这种方法简单、直观，每个查询逻辑清晰。然而，它的最大问题就是会执行许多查询，导致性能不佳。这种查询方式被称为 **N+1 查询问题**，即一个初始查询（查分类列表）加上每 N 个分类单独执行一个查询。
性能对比：
假设数据库有 800 个商品分布在 17 个分类中，通过上述方法运行了 18 次查询，总耗时超过 1 秒。而通过单次复杂查询，我们可以将时间降低到 0.16 秒。
使用 JOIN 解决 N+1 查询问题
我们可以进行代码重构，将原本的多次查询（N+1）优化为单次复杂查询：
$dbh = new Dbh();
$conn = $dbh->connect();
$sql = "
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;
";
$stmt = $conn->prepare($sql);
$stmt->execute();
$lastCategoryId = null;
while ($row = $stmt->fetch()) {
// 每个分类渲染一次标题
if ($row['category_id'] != $lastCategoryId) {
echo $row['category_name'];
}
// 显示每个商品
if (!is_null($row['item_id'])) {
echo $row['item_id'];
echo $row['item_name'];
}
$lastCategoryId = $row['category_id'];
}
通过上述代码，我们将逻辑简化为单次查询，同时响应时间从 1.4 秒降低到 0.16 秒。
数据结构优化：更复杂的查询
如果需求更复杂，比如需要展示分类及其商品数量，可以使用 GROUP BY 进行聚合查询：
SELECT c.id, c.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;
但如果既要获取商品数量，又要获取商品列表，可以在服务器端通过程序计算商品数量。例如：
$dbh = new Dbh();
$conn = $dbh->connect();
$sql = "
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;
";
$stmt = $conn->prepare($sql);
$stmt->execute();
$categories = [];
$categoryItems = [];
while ($row = $stmt->fetch()) {
if (!is_null($lastCategoryId) && $row['category_id'] != $lastCategoryId) {
$categories[$lastCategoryName] = $categoryItems;
$categoryItems = array();
}
if (!is_null($row['item_id'])) $categoryItems[$row['item_id']] = $row['item_name'];
$lastCategoryId = $row['category_id'];
$lastCategoryName = $row['category_name'];
}
$categories[$lastCategoryName] = $categoryItems;
// 渲染数据
foreach ($categories as $categoryName => $items) {
echo $categoryName;
echo count($items) . ' items';
foreach($items as $itemId => $itemName) {
echo $itemId;
echo $itemName;
}
}
这种方式不仅高效，还可以生成更适合应用的数据结构。例如，通过分类 ID 索引商品列表，方便快捷地访问特定分类的商品。
如何检测 N+1 查询？
如果应用较复杂，N+1 查询问题可能隐藏较深。以下方法可以帮助检测和优化：
Laravel Debug Bar
对于 Laravel 应用，可使用 Debug Bar 或通过以下代码完全禁用 N+1 查询：
Model::preventLazyLoading(!app()->isProduction());
PlanetScale Insights
PlanetScale 提供 Insights 监控工具来检测数据库查询性能，包括 N+1 查询和运行时间较长的查询。您可以在此工具中找到详细的查询统计，识别性能瓶颈并优化查询。
总结
N+1 查询问题典型地通过多个小查询引发性能问题，而这种问题完全可以被重构为单次复杂查询解决。通过优化数据库和应用代码设计，您不仅可以显著提高速度，还能为应用开发提供更高效的数据结构。借助工具如 Laravel Debug Bar 和 PlanetScale Insights，性能优化变得更加精准和高效。
关注公众号：程序新视界，一个让你软实力、硬技术同步提升的平台
除非注明，否则均为程序新视界原创文章，转载必须以链接形式标明本文链接
