Django ORM 详解

Django 框架以其“开箱即用”和“快速开发”的特性深受 Web 开发者喜爱，而其强大的对象关系映射（Object-Relational Mapping, ORM）系统是实现这一目标的关键组件之一。Django ORM 允许开发者使用 Python 代码来操作数据库，而无需直接编写复杂的 SQL 语句，极大地提高了开发效率和代码的可维护性。

理解对象关系映射 (ORM)

在探讨 Django ORM 之前，有必要先理解什么是 ORM。ORM 是一种编程技术，用于在关系型数据库和面向对象编程语言之间建立一座桥梁。简单来说，它允许开发者将数据库中的表映射为程序中的类（称为模型），将表中的行映射为类的实例（对象），将表中的字段映射为对象的属性。通过这种方式，开发者可以像操作普通 Python 对象一样来操作数据库记录，ORM 会在底层自动将这些对象操作转换为相应的 SQL 语句并执行。这就像一个翻译官，将开发者熟悉的面向对象语言“翻译”成数据库能理解的 SQL 语言，反之亦然，从而屏蔽了底层数据库的复杂性和差异性。

graph LR
    subgraph "面向对象编程语言"
        A[类] --> B[对象]
        B --> C[属性]
    end
    
    subgraph "ORM层"
        D[对象关系映射]
    end
    
    subgraph "关系型数据库"
        E[表] --> F[行]
        F --> G[字段]
    end
    
    A -.映射.-> E
    B -.映射.-> F
    C -.映射.-> G
    
    H[Python代码] --> D
    D --> I[SQL语句]
    
    style D fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px
    style H fill:#bbf,stroke:#333,stroke-width:1px
    style I fill:#fbb,stroke:#333,stroke-width:1px

Django ORM 的核心组件

Django ORM 主要由几个关键部分组成，它们协同工作，构成了与数据库交互的基础。

模型 (Models)

模型是 Django ORM 的核心，它定义了应用程序的数据结构。每个模型通常对应数据库中的一张表。开发者通过继承 django.db.models.Model 类来定义模型，并在类中定义字段（Fields）来表示表的列。每个字段都是 models.Field 的一个实例（例如 CharField、IntegerField、DateTimeField 等），它不仅定义了数据库列的类型，还包含了数据验证、默认值、表单生成等多种功能。

例如，可以定义一个简单的 Book 模型来表示书籍信息：

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from django.db import models

class Book(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    author = models.CharField(max_length=100)
    publication_date = models.DateField(null=True, blank=True)
    isbn = models.CharField(max_length=13, unique=True)

    def __str__(self):
        return self.title

在这个例子中，Book 类映射到数据库中的一张表，title、author、publication_date 和 isbn 属性分别对应表中的列。__str__ 方法定义了模型实例的字符串表示形式，方便在管理后台或调试时查看。

管理器 (Managers)

每个 Django 模型至少有一个管理器（Manager），它是模型与数据库进行交互的主要接口。默认情况下，每个模型都有一个名为 objects 的管理器（models.Manager 的实例）。开发者通过管理器来执行数据库查询操作，例如获取所有记录、过滤记录等。

例如，要获取所有的 Book 对象，可以使用 Book.objects.all()。

开发者也可以定义自定义管理器，以添加额外的查询方法或修改默认的查询集行为，从而封装常用的数据访问逻辑。

查询集 (QuerySets)

查询集（QuerySet）代表了从数据库中检索到的一组对象集合。当通过管理器调用查询方法（如 all()、filter()、exclude()）时，返回的就是一个查询集。查询集具有“惰性求值”（Lazy Evaluation）的特性，这意味着创建查询集本身并不会立即执行数据库查询。只有在需要访问查询集中的数据时（例如迭代、切片、调用 len() 或显式转换列表等），Django ORM 才会真正执行 SQL 查询并将结果加载到内存中。这种惰性机制有助于提高性能，避免不必要的数据库访问。

基本数据库操作 (CRUD)

掌握 Django ORM 的基本数据库增删改查（CRUD）操作是进行 Django 开发的基础。

创建 (Create) 数据

创建新的数据库记录通常有两种方式。第一种是创建模型实例，设置属性后调用 save() 方法：

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# 方法一：创建实例并保存
new_book = Book(title="深入理解计算机系统", author="Randal E. Bryant", isbn="9787111213409")
new_book.save()

第二种是使用管理器的 create() 方法，它会一步完成实例创建和保存：

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# 方法二：使用管理器的 create 方法
another_book = Book.objects.create(title="代码整洁之道", author="Robert C. Martin", isbn="9787115216109")

查询 (Read) 数据

Django ORM 提供了丰富的查询接口。

获取所有记录使用 all() 方法：

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all_books = Book.objects.all() # 返回一个包含所有 Book 对象的 QuerySet

根据条件过滤记录使用 filter() 或 exclude() 方法。filter() 返回满足条件的对象，exclude() 返回不满足条件的对象：

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# 获取所有 Randal E. Bryant 写的书
bryant_books = Book.objects.filter(author="Randal E. Bryant")

# 获取除了 Randal E. Bryant 写的书之外的所有书
other_books = Book.objects.exclude(author="Randal E. Bryant")

获取单个特定记录使用 get() 方法。需要注意的是，get() 期望查询结果是唯一的。如果查询没有找到任何对象，会引发 Model.DoesNotExist 异常；如果找到多个对象，会引发 Model.MultipleObjectsReturned 异常。因此，get() 通常用于基于主键或唯一约束字段的查询。

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try:
    specific_book = Book.objects.get(isbn="9787111213409")
except Book.DoesNotExist:
    print("书籍不存在")
except Book.MultipleObjectsReturned:
    print("找到多本相同 ISBN 的书籍，数据可能存在问题")

对结果进行排序使用 order_by() 方法：

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# 按出版日期升序排序
books_sorted_by_date = Book.objects.order_by('publication_date')
# 按出版日期降序排序
books_sorted_by_date_desc = Book.objects.order_by('-publication_date')

查询集还支持 Python 的切片语法，用于限制返回结果的数量：

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# 获取前 5 本书
first_five_books = Book.objects.all()[:5]
# 获取第 6 到第 10 本书
next_five_books = Book.objects.all()[5:10]

更新 (Update) 数据

更新数据同样有两种常见方式。第一种是先获取对象，修改其属性，然后调用 save() 方法：

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book_to_update = Book.objects.get(isbn="9787111213409")
book_to_update.title = "深入理解计算机系统（原书第3版）"
book_to_update.save()

第二种是使用查询集的 update() 方法进行批量更新，这种方式更高效，因为它直接在数据库层面执行 SQL UPDATE 语句，不会加载对象到内存，也不会调用模型的 save() 方法或触发相关信号：

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# 将所有 Randal E. Bryant 写的书的作者名更新（示例，实际意义不大）
Book.objects.filter(author="Randal E. Bryant").update(author="R. E. Bryant")

删除 (Delete) 数据

删除数据可以针对单个对象，也可以批量进行。删除单个对象需要先获取该对象，然后调用其 delete() 方法：

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book_to_delete = Book.objects.get(isbn="9787115216109")
book_to_delete.delete()

批量删除则可以直接在查询集上调用 delete() 方法：

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# 删除所有作者为 "Unknown Author" 的书籍
Book.objects.filter(author="Unknown Author").delete()

Django ORM 的优势

使用 Django ORM 带来了诸多好处。首先是显著提升了开发效率，开发者可以用熟悉的 Python 语法与数据库交互，减少了编写和调试 SQL 的时间。其次，它提供了良好的数据库无关性，理论上更换数据库后端（如从 SQLite 切换到 PostgreSQL 或 MySQL）只需修改配置文件，而无需大量修改数据访问代码，尽管在实践中可能需要注意一些数据库特定的细节。再者，Django ORM 内置了对 SQL 注入等常见安全威胁的防护机制，提高了应用的安全性。最后，基于模型的代码结构清晰，使得代码更易读、更易维护。

小结

Django ORM 是 Django 框架中一个强大而优雅的部分，它通过对象关系映射技术简化了数据库操作，让开发者能够聚焦于业务逻辑的实现。理解其核心组件（模型、管理器、查询集）和掌握基本的 CRUD 操作是高效使用 Django 进行 Web 开发的基础。虽然 ORM 屏蔽了许多底层细节，但在处理复杂查询或性能优化时，了解其生成的 SQL 语句仍然是有益的。总而言之，熟练运用 Django ORM 将极大地提升开发体验和项目质量。

参考资料

• Django documentation: Models
• Django documentation: Making queries