深入 Django 模型層：資料庫設計與 ORM 實踐指南

Amd794發表於2024-05-03

title: 深入 Django 模型層：資料庫設計與 ORM 實踐指南
date: 2024/5/3 18:25:33
updated: 2024/5/3 18:25:33
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後端開發

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Django ORM
模型設計
資料庫關係
效能最佳化
資料安全
查詢操作
模型繼承

第一章：引言

Django是一個基於Python的開源Web應用程式框架，它遵循MTV（模型-模板-檢視）的設計模式。Django框架的目標是使Web開發變得簡單、快速和高效。它提供了許多功能強大且易於使用的工具，包括URL路由、模板系統、表單處理、認證系統等，使開發人員能夠專注於業務邏輯的實現而不必從頭開始構建基本功能。

模型層在Django框架中起著至關重要的作用。模型是定義資料結構的地方，每個模型類對應資料庫中的一個表，模型類的屬性對應表中的欄位。透過模型層，開發人員可以定義資料的結構、欄位型別、約束等，同時利用Django提供的ORM系統來進行資料庫操作，使得資料的管理變得簡單且高效。

資料庫模型設計是指根據應用程式的需求設計資料庫表結構的過程。良好的資料庫模型設計能夠確保資料的一致性、完整性和效能。在設計資料庫模型時，需要考慮資料之間的關係、欄位型別的選擇、索引的新增等因素，以滿足應用程式的需求並提高資料庫的效能。

ORM（物件關係對映）是一種程式設計技術，它允許開發人員使用物件導向的方式來運算元據庫，而不必直接編寫SQL語句。在Django中，ORM系統將資料庫表對映為Python類，使得開發人員可以透過簡單的Python程式碼來進行資料庫操作，而無需關注底層資料庫的細節。ORM的使用簡化了資料訪問層的開發，提高了程式碼的可讀性和可維護性。透過ORM，開發人員可以更加高效地進行資料庫操作，從而加快應用程式的開發速度。

第二章：資料庫設計基礎

資料庫設計的基本原則和正規化：

資料庫設計基本原則：
- 實體完整性：確保每個表都有一個主鍵，並且主鍵值不為空，不重複，用於唯一標識表中的每一行資料。
- 域完整性：定義每個欄位的資料型別、長度和格式，確保資料的合法性和準確性。
- 參照完整性：透過外來鍵約束確保表與表之間的關係的一致性，保證外來鍵值在父表中必須存在。
- 使用者定義的完整性：根據具體業務需求定義其他的完整性規則，如觸發器、儲存過程等。
資料庫正規化：
- 第一正規化（1NF） ：確保每個列都是原子的，不可再分。即每個欄位只包含一個值，不包含重複組或陣列。
- 第二正規化（2NF） ：確保非主鍵欄位完全依賴於主鍵，消除部分依賴。即每個非主鍵欄位必須完全依賴於主鍵，而不依賴於主鍵的一部分。
- 第三正規化（3NF） ：確保每個非主鍵欄位之間沒有傳遞依賴，消除傳遞依賴。即每個非主鍵欄位只依賴於主鍵，而不依賴於其他非主鍵欄位。
關聯式資料庫中的概念：
- 表（Table） ：用於儲存資料的二維結構，由行和列組成。每行代表一個記錄，每列代表一個欄位。
- 欄位（Field） ：表中的一個列，用於儲存特定型別的資料，如整數、字串、日期等。
- 主鍵（Primary Key） ：唯一標識表中每條記錄的欄位或欄位組合，用於保證資料的唯一性和完整性。
- 外來鍵（Foreign Key） ：用於建立表與表之間的關聯，確保資料的一致性。外來鍵是一個欄位，引用另一表的主鍵。

以下是一個關於學生資訊表（Students）和課程資訊表（Courses）之間關係的示例：

Students 表：

StudentID (Primary Key)	StudentName	Age	Gender
1	John Smith	20	M
2	Jane Doe	21	F

Courses 表：

CourseID (Primary Key)	CourseName	Teacher	Students (Foreign Key)
1	Introduction to Computer Science	Alice	1
2	Database Design	Bob	1, 2

在這個示例中，Students 表中的 StudentID 是主鍵，Courses 表中的 CourseID 是主鍵，Students 表中的 StudentID 也是 Courses 表中的
Students 欄位的外來鍵，用於確保學生和課程之間的關係的一致性。

第三章：Django模型層基礎

Django 模型層的作用和優勢

Django 模型層是 Django 框架的核心部分，負責與資料庫進行互動，用於管理資料庫表和欄位，以及對資料庫進行 CRUD (Create,
Retrieve, Update, Delete) 操作。

Django 模型層的優勢：

物件關係對映（ORM） ：Django 模型層使用 ORM 技術，將資料庫表抽象為 Python 物件，使開發人員可以使用物件導向的程式設計方式來運算元據庫。
資料庫無關性：Django 模型層支援多種資料庫後端，包括 MySQL、PostgreSQL、SQLite 等，使開發人員可以更加靈活地選擇資料庫。
自動生成遷移：Django 模型層支援自動生成資料庫遷移，可以自動生成資料庫表結構，使開發人員不需要手動編寫 SQL 語句。
資料校驗：Django 模型層支援自動資料校驗，可以確保資料的正確性和完整性。

如何建立一個簡單的 Django 模型類

首先，需要在 Django 專案中建立一個應用程式，可以使用以下命令建立：

python manage.py startapp myapp

其中，myapp 是應用程式的名稱。

然後，在 myapp 應用程式的 models.py 檔案中建立一個模型類，如下所示：

from django.db import models

class Student(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=30)
    age = models.IntegerField(default=18)
    gender = models.CharField(max_length=10)

在這個示例中，我們建立了一個名為 Student 的模型類，包含三個欄位：name、age 和 gender。其中，name 欄位是一個字串欄位，最大長度為
30；age 欄位是一個整數字段，預設值為 18；gender 欄位是一個字串欄位，最大長度為 10。

最後，需要使用以下命令生成資料庫遷移：

python manage.py makemigrations myapp

然後，使用以下命令應用遷移，建立資料庫表：

python manage.py migrate

這樣，我們就建立了一個簡單的 Django 模型類，可以用於對資料庫表進行 CRUD 操作。

第四章：模型欄位

Django 中常用的模型欄位型別

CharField：用於儲存短文字字串，指定最大長度。
IntegerField：用於儲存整數值。
TextField：用於儲存大文字欄位。
BooleanField：用於儲存布林值。
DateField：用於儲存日期。
DateTimeField：用於儲存日期時間。
ForeignKey：用於定義一對多關係，關聯另一個模型的主鍵。
ManyToManyField：用於定義多對多關係，允許一個記錄關聯多個其他記錄。

如何選擇合適的欄位型別和選項

根據資料型別選擇欄位型別：根據要儲存的資料型別選擇合適的欄位型別，例如儲存姓名可以選擇 CharField，儲存年齡可以選擇
IntegerField。
考慮資料長度：根據資料長度選擇合適的欄位型別和選項，例如儲存長文字可以選擇 TextField，而儲存短文字可以選擇
CharField。
考慮是否需要唯一性：如果需要確保欄位值的唯一性，可以使用 unique=True 選項。
考慮是否允許為空：如果欄位值可以為空，可以使用 blank=True 選項。
考慮預設值：如果欄位有預設值，可以使用 default 選項。
考慮關聯關係：如果需要定義模型之間的關聯關係，可以使用 ForeignKey 或 ManyToManyField。

總之，選擇合適的欄位型別和選項需要根據具體的業務需求和資料特點來決定，儘量使欄位型別和選項能夠準確地反映資料的特性，並確保資料的完整性和一致性。在設計模型時，可以根據實際情況靈活選擇欄位型別和選項。

第五章：模型關係

Django 中不同模型之間的關係

一對一關係（OneToOneField） ：一個模型例項只能對應另一個模型例項，例如一個人只能有一個身份證號碼。
一對多關係（ForeignKey） ：一個模型例項可以對應多個另一個模型例項，例如一個作者可以寫多篇文章。
多對多關係（ManyToManyField） ：多個模型例項可以互相關聯，例如一個標籤可以對應多篇文章，一篇文章也可以對應多個標籤。

如何在模型中定義和使用這些關係

一對一關係：在定義模型時，使用 OneToOneField 欄位型別來定義一對一關係，例如：
```
from django.db import models

class Person(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=50)

class IDCard(models.Model):
    number = models.CharField(max_length=18)
    person = models.OneToOneField(Person, on_delete=models.CASCADE)
```
在這個例子中，Person 和 IDCard 之間建立了一對一關係，一個人只能有一個身份證號碼，一個身份證號碼也只能對應一個人。

一對多關係：在定義模型時，使用 ForeignKey 欄位型別來定義一對多關係，例如：

from django.db import models

class Author(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=50)

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=100)
    content = models.TextField()
    author = models.ForeignKey(Author, on_delete=models.CASCADE)

在這個例子中，Author 和 Article 之間建立了一對多關係，一個作者可以寫多篇文章，一篇文章只能有一個作者。

多對多關係：在定義模型時，使用 ManyToManyField 欄位型別來定義多對多關係，例如：
```
from django.db import models

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=100)
    content = models.TextField()
    tags = models.ManyToManyField('Tag')

class Tag(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=50)
```
在這個例子中，Article 和 Tag 之間建立了多對多關係，一篇文章可以對應多個標籤，一個標籤也可以對應多篇文章。

在使用這些關係時，可以透過模型例項的屬性或者方法來訪問關聯的物件，例如：

# 獲取一對一關係的物件
person = idcard.person

# 獲取一對多關係的物件列表
articles = author.article_set.all()

# 獲取多對多關係的物件列表
tags = article.tags.all()

總之，在定義和使用模型關係時，需要根據具體的業務需求和資料特點來決定關係型別和選項，儘量使關係能夠準確地反映資料的關聯關係，並確保資料的完整性和一致性。在設計模型時，可以根據實際情況靈活選擇關係型別和選項。

第六章：模型操作

使用Django的ORM進行資料庫操作

建立資料：使用模型類的建構函式建立一個模型例項，並呼叫 save() 方法儲存到資料庫中，例如：

from myapp.models import MyModel

new_instance = MyModel(field1=value1, field2=value2)
new_instance.save()

讀取資料：使用模型類的 objects 屬性獲取 QuerySet 物件，然後可以使用各種方法對資料進行過濾、排序等操作，例如：

from myapp.models import MyModel

all_instances = MyModel.objects.all()
filtered_instances = MyModel.objects.filter(field1=value1)
instance = MyModel.objects.get(id=1)

更新資料：獲取到模型例項後，可以直接修改例項的屬性並呼叫 save() 方法進行更新，例如：

instance = MyModel.objects.get(id=1)
instance.field1 = new_value1
instance.save()

刪除資料：獲取到模型例項後，呼叫 delete() 方法刪除資料，例如：

instance = MyModel.objects.get(id=1)
instance.delete()

QuerySet的使用和常見查詢方法

QuerySet 是 Django 中用來執行資料庫查詢的物件集合，可以透過模型類的 objects 屬性獲取。以下是一些常見的 QuerySet 方法：

filter() ：根據指定條件過濾資料，例如：

filtered_instances = MyModel.objects.filter(field1=value1)

exclude() ：排除符合指定條件的資料，例如：

excluded_instances = MyModel.objects.exclude(field1=value1)

get() ：根據指定條件獲取單個物件，如果查詢結果為空或者多於一個物件會丟擲異常，例如：
```
instance = MyModel.objects.get(id=1)
```
all() ：獲取模型的所有物件，例如：
```
all_instances = MyModel.objects.all()
```
order_by() ：根據指定欄位對查詢結果進行排序，例如：
```
ordered_instances = MyModel.objects.order_by('field1')
```

annotate() ：對查詢結果進行聚合操作，例如計算平均值、總和等，例如：

from django.db.models import Avg
average_value = MyModel.objects.all().annotate(avg_field1=Avg('field1')).first().avg_field1

count() ：獲取查詢結果的數量，例如：

count = MyModel.objects.filter(field1=value1).count()

以上是一些常見的 QuerySet 方法，透過這些方法可以方便地對資料庫進行增刪改查操作。在實際應用中，可以根據具體的需求選擇合適的方法來運算元據庫。

第七章：模型繼承與擴充套件

Django中的模型繼承和擴充套件機制

Django中的模型繼承和擴充套件機制可以幫助我們提高模型的複用性和靈活性，主要有以下幾種方式：

抽象基類（Abstract Base Class） ：抽象基類是一種不會在資料庫中建立表的模型類，只能被其他模型類繼承。透過抽象基類，可以將一些公共欄位和方法抽象出來，避免在多個模型類中重複定義。例如：

from django.db import models

class BaseModel(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=50)
    created_at = models.DateTimeField(auto_now_add=True)
    updated_at = models.DateTimeField(auto_now=True)

    class Meta:
        abstract = True

class MyModel(BaseModel):
    field1 = models.CharField(max_length=50)
    field2 = models.CharField(max_length=50)

多表繼承（Multi-Table Inheritance） ：多表繼承是一種將一個模型類分成多個表的繼承方式，每個子類對應一個表，子類可以訪問父類的欄位和方法。例如：

from django.db import models

class BaseModel(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=50)
    created_at = models.DateTimeField(auto_now_add=True)
    updated_at = models.DateTimeField(auto_now=True)

class MyModel(BaseModel):
    field1 = models.CharField(max_length=50)

class MyModelChild(MyModel):
    field2 = models.CharField(max_length=50)

代理模型（Proxy Model） ：代理模型是一種不會建立新表的模型類，可以用來修改模型類的預設行為或者新增新的方法。代理模型和原模型共享同一個表，但是代理模型的管理器和查詢集可以自定義。例如：

from django.db import models

class MyModel(models.Model):
    field1 = models.CharField(max_length=50)
    field2 = models.CharField(max_length=50)

class MyModelProxy(MyModel):
    class Meta:
        proxy = True

    def new_method(self):
        # add some new method
        pass

Mixin模型（Mixin Model） ：Mixin模型是一種不會被單獨使用的模型類，只能被其他模型類繼承。Mixin模型通常用於新增一些通用的方法或者欄位，以便在多個模型類中複用。例如：

from django.db import models

class MyMixin(models.Model):
    field1 = models.CharField(max_length=50)

    def my_method(self):
        # add some new method
        pass

    class Meta:
        abstract = True

class MyModel(MyMixin, models.Model):
    field2 = models.CharField(max_length=50)

如何利用這些機制來提高模型的複用性和靈活性

透過使用上述的模型繼承和擴充套件機制，我們可以將一些公共的欄位、方法和行為抽象出來，避免在多個模型類中重複定義。這樣可以提高模型的複用性和靈活性，使得我們可以更加方便地管理和維護模型類。同時，這些機制也可以幫助我們更好地組織模型類的結構，使得程式碼更加清晰易懂，易於擴充套件和維護。

第八章：模型效能最佳化

Django模型層效能最佳化

在Django中，最佳化模型層的效能對於提升整體應用程式的效能至關重要。以下是一些常用的方法來最佳化Django模型層的效能：

select_related:select_related方法用於在查詢時一次性獲取關聯物件的資料，而不是每次訪問關聯物件時都執行一次資料庫查詢。這樣可以減少資料庫查詢次數，提高效能。例如：
```
queryset = MyModel.objects.select_related('related_model')
```
prefetch_related:prefetch_related方法用於在查詢時一次性獲取關聯物件的資料，但是與select_related
不同的是，prefetch_related是透過執行額外的查詢來獲取關聯物件的資料，然後將結果快取起來以供後續使用。這對於一對多或多對多關係的查詢特別有用。例如：
```
queryset = MyModel.objects.prefetch_related('related_models')
```
只選擇需要的欄位: 在查詢時，儘量只選擇需要的欄位，避免選擇過多的欄位導致資料傳輸量過大。可以使用values()
或values_list()方法來選擇特定欄位。
使用索引: 在資料庫中為經常用於查詢的欄位新增索引，可以加快查詢速度。可以在模型的Meta類中使用indexes屬性來定義索引。
避免N+1查詢問題: 當需要訪問關聯物件的多個例項時，避免使用迴圈來逐個查詢，而應該使用select_related
或prefetch_related一次性獲取所有需要的關聯物件。
快取資料: 對於一些資料不經常變化的查詢結果，可以考慮使用快取來減少資料庫查詢次數，提高效能。

避免常見的效能陷阱和瓶頸

迴圈查詢資料庫: 避免在迴圈中頻繁查詢資料庫，應該儘量使用批次查詢或者最佳化查詢方式來減少資料庫訪問次數。
不合適的資料結構設計: 合理設計資料庫表結構，避免過多的關聯表和複雜的關聯關係，以減少查詢時的複雜度。
頻繁的寫操作: 避免頻繁的寫操作，儘量批次處理資料寫入，減少資料庫的壓力。
未最佳化的查詢: 使用Django提供的查詢最佳化方法，如select_related、prefetch_related等，避免不必要的查詢操作。
忽略資料庫效能調優: 定期檢查資料庫效能，最佳化資料庫的配置和索引以提高查詢效率。

透過合理使用上述最佳化方法和避免常見的效能陷阱和瓶頸，可以有效提高Django模型層的效能，使應用程式更加高效穩定。

第九章：模型安全

Django模型資料安全保護

保護Django模型資料的安全性是開發Web應用程式時非常重要的一環。以下是一些方法來保護Django模型資料的安全性：

防止SQL隱碼攻擊:
- 使用Django的ORM來執行資料庫查詢，ORM會自動對輸入引數進行轉義，從而避免SQL隱碼攻擊。
- 避免使用原生SQL查詢，儘量使用ORM提供的方法來構建查詢。
防止XSS攻擊:
- 在模板中使用Django提供的過濾器和標籤來轉義使用者輸入的資料，例如{{ value|safe }}可以標記某個變數為安全的HTML內容。
- 使用Django的escape函式對使用者輸入的資料進行轉義，以防止惡意指令碼注入。
資料驗證:
- 使用Django的表單驗證功能，透過定義表單類並在檢視中進行驗證，可以有效驗證使用者輸入資料的合法性。
- 在模型中使用validators引數定義驗證器來對欄位進行驗證，確保資料的完整性和正確性。
許可權控制:
- 使用Django的認證系統和許可權系統，可以對使用者進行認證和授權，限制其對資料的訪問許可權。
- 在檢視函式中使用@login_required裝飾器來限制只有登入使用者才能訪問某些頁面或執行某些操作。
- 使用Django提供的permission_required裝飾器來限制使用者對特定資源的訪問許可權。
安全儲存密碼:
- 使用Django提供的密碼雜湊演算法來安全儲存使用者密碼，確保使用者密碼在資料庫中不以明文形式儲存。
- 使用Django的認證系統來處理使用者密碼驗證，避免自行處理密碼驗證邏輯。
HTTPS傳輸:
- 在生產環境中使用HTTPS來加密資料傳輸，確保資料在傳輸過程中不被竊取或篡改。

透過以上方法，可以有效保護Django模型資料的安全性，防止常見的安全攻擊，確保應用程式的資料安全和使用者資訊保安。

第十章：高階主題

高階模型層主題

在Django中，有許多高階的模型層主題可以幫助開發人員更好地定製和管理資料模型。以下是一些高階主題的介紹：

自定義模型管理器:
- 可以透過自定義模型管理器來擴充套件模型的查詢功能，例如定義自定義查詢方法、過濾器等。
- 透過建立自定義管理器類並在模型中指定objects = CustomManager()來替換預設的管理器。
訊號處理:
- 訊號是Django中的一種機制，用於在模型的儲存、刪除等操作前後觸發自定義的處理函式。
- 可以使用訊號處理來實現一些與模型操作相關的邏輯，如在使用者註冊時自動建立相關的資料。
資料遷移:
- Django的ORM提供了資料遷移功能，可以幫助開發人員在資料庫模式發生變化時輕鬆地同步資料庫結構。
- 透過執行python manage.py makemigrations和python manage.py migrate命令來生成和應用資料遷移。
使用內建功能和擴充套件解決複雜資料庫需求:
- Django提供了豐富的內建功能和擴充套件，如模型欄位、關聯、查詢表示式等，可以用來解決複雜的資料庫需求。
- 可以使用Django的ORM來構建複雜的查詢，利用ORM的鏈式呼叫和查詢表示式來實現高階查詢。
使用第三方庫:
- Django社群中有許多優秀的第三方庫和擴充套件，可以幫助解決特定的資料庫需求，如django-rest-framework、django-filter等。
- 可以根據專案需求選擇合適的第三方庫，以提高開發效率和滿足特定需求。

透過靈活運用以上高階模型層主題，開發人員可以更好地定製和管理資料模型，解決複雜的資料庫需求，並提升開發效率和程式碼質量。

第十一章：案例分析

案例分析：線上電影平臺

線上電影平臺是一個複雜的資料庫模型和ORM操作的典型案例，本節將透過分析該案例，深入討論實際專案中遇到的挑戰和解決方案。

需求分析

線上電影平臺是一個電影資訊查詢和線上觀看的平臺，使用者可以在平臺上搜尋電影、檢視電影資訊、線上觀看電影等。在資料庫模型設計上，需要考慮以下幾個實體：使用者、電影、電影分類、電影評論等。

資料庫模型設計

使用者（User）：使用者表包括使用者ID、使用者名稱、密碼、電子郵件、註冊時間等欄位。
電影（Movie）：電影表包括電影ID、電影名稱、電影分類、電影海報、電影簡介、電影時長、電影評分等欄位。
電影分類（Category）：電影分類表包括分類ID、分類名稱、分類描述等欄位。
電影評論（Comment）：電影評論表包括評論ID、使用者ID、電影ID、評論內容、評論時間等欄位。

ORM操作

在實現ORM操作時，可以使用Django的ORM來構建查詢和運算元據庫。以下是一些常見的ORM操作：

查詢電影列表：

movies = Movie.objects.all()

根據電影ID查詢電影：

movie = Movie.objects.get(id=1)

查詢電影分類：

categories = Category.objects.all()

查詢使用者評論：

comments = Comment.objects.filter(movie_id=1)

新增電影評論：

comment = Comment.objects.create(user_id=1, movie_id=1, content='Great movie!')

更新電影評分：

movie = Movie.objects.get(id=1)
movie.score = 9.5
movie.save()

刪除電影：

movie = Movie.objects.get(id=1)
movie.delete()

挑戰和解決方案

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在實際專案中，可能會遇到一些挑戰，如資料庫效能問題、資料庫規模問題等。以下是一些常見的挑戰和解決方案：

資料庫效能問題：
- 可以使用Django的快取系統來快取查詢結果，以減少對資料庫的訪問次數。
- 可以使用資料庫索引來最佳化資料庫查詢，提高資料庫效能。
資料庫規模問題：
- 可以使用分庫分表來解決資料庫規模問題，將資料分佈到多個資料庫中，提高資料庫的讀寫效能。
- 可以使用資料庫讀寫分離來解決資料庫規模問題，將資料庫讀寫分離到不同的資料庫中，提高資料庫的讀寫效能。
資料庫安全問題：
- 可以使用資料庫加密來保護資料庫中的敏感資訊，防止資料洩露。
- 可以使用資料庫審計來記錄資料庫操作，監控資料庫安全。

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