【Python使用】嘿马头条完整开发md笔记第3篇：数据库,1 新增【附代码文档】-CFANZ编程社区

嘿马头条项目从到完整开发笔记总结完整教程（附代码资料）主要内容讲述：课程简介，ToutiaoWeb虚拟机使用说明1 产品介绍,2 原型图与UI图,3 技术架构,4 开发,1 需求,2 注意事项。数据库，理解ORM1 简介,2 安装,3 数据库连接设置,4 模型类字段与选项,5 构建模型类映射。数据库，SQLAlchemy操作1 新增,2 查询,3 更新,4 删除,5 事务,1. 复制集与分布式。数据库，分布式ID1 方案选择,2 头条,1 理解索引,2 SQL查询优化,3 数据库优化。数据库，Redis1 Redis事务,2 Redis持久化,3 Redis高可用,4 Redis集群,5 用途,6 相关补充阅读。Git工用流，调试方法。OSS对象存储，七牛云存储。缓存，缓存架构缓存数据的类型,缓存数据的保存方式,有效期 TTL （Time to live),缓存淘汰 eviction。缓存，缓存问题1 缓存穿透,2 缓存雪崩,缓存设计,持久存储设计。APScheduler定时任务，定时修正统计数据1. 什么是RPC,2. 背景与用途,3. 概念说明,4. 优缺点,架构,使用方法。RPC，编写客户端。即时通讯，Socket.IO1 简介,2 Python服务器端开发,3 Python客户端。Elasticsearch，简介与原理概念,Elasticsearch 集群（cluster）,索引,类型和映射。Elasticsearch，文档。单元测试，部署相关数据库性能,缓存雪崩,缓存编写。缓存模式缓存的架构,缓存数据,缓存数据的有效期和淘汰策略,淘汰策略,头条项目缓存数据的设计。

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数据库

数据库设计
SQLAlchemy
数据库理论
分布式ID
Redis

SQLAlchemy操作

1 新增

user = User(mobile='15612345678', name='itcast')
db.session.add(user)
db.session.commit()
profile = Profile(id=user.id)
db.session.add(profile)
db.session.commit()

对于批量添加也可使用如下语法

db.session.add_all([user1, user2, user3])
db.session.commit()

2 查询

all()

查询所有，返回列表

User.query.all()

first()

查询第一个，返回对象

User.query.first()

get()

根据主键ID获取对象，若主键不存在返回None

User.query.get(2)

另一种查询方式

db.session.query(User).all()
db.session.query(User).first()
db.session.query(User).get(2)

filter_by

进行过虑

User.query.filter_by(mobile='13911111111').first()
User.query.filter_by(mobile='13911111111', id=1).first()  # and关系

filter

进行过虑

User.query.filter(User.mobile=='13911111111').first()

逻辑或

from sqlalchemy import or_
User.query.filter(or_(User.mobile=='13911111111', User.name.endswith('号'))).all()

逻辑与

from sqlalchemy import and_
User.query.filter(and_(User.name != '13911111111', User.mobile.startswith('185'))).all()

逻辑非

from sqlalchemy import not_
User.query.filter(not_(User.mobile == '13911111111')).all()

offset

偏移，起始位置

User.query.offset(2).all()

limit

获取限制数据

User.query.limit(3).all()

order_by

排序

User.query.order_by(User.id).all()  # 正序
User.query.order_by(User.id.desc()).all()  # 倒序

复合查询

User.query.filter(User.name.startswith('13')).order_by(User.id.desc()).offset(2).limit(5).all()

query = User.query.filter(User.name.startswith('13'))
query = query.order_by(User.id.desc())
query = query.offset(2).limit(5)
ret = query.all()

优化查询

user = User.query.filter_by(id=1).first()  # 查询所有字段
select user_id, mobile......

select * from   # 程序不要使用
select user_id, mobile,.... # 查询指定字段

from sqlalchemy.orm import load_only
User.query.options(load_only(User.name, User.mobile)).filter_by(id=1).first() # 查询特定字段

聚合查询

from sqlalchemy import func

db.session.query(Relation.user_id, func.count(Relation.target_user_id)).filter(Relation.relation == Relation.RELATION.FOLLOW).group_by(Relation.user_id).all()

关联查询

1. 使用ForeignKey

class User(db.Model):
    ...
    profile = db.relationship('UserProfile', uselist=False)
    followings = db.relationship('Relation')

class UserProfile(db.Model):
    id = db.Column('user_id', db.Integer, db.ForeignKey('user_basic.user_id'), primary_key=True,  doc='用户ID')
    ...

class Relation(db.Model):
    user_id = db.Column(db.Integer, db.ForeignKey('user_basic.user_id'), doc='用户ID')
    ...



# 测试   


user = User.query.get(1)
user.profile.gender
user.followings

2. 使用primaryjoin

class User(db.Model):
    ...

    profile = db.relationship('UserProfile', primaryjoin='User.id==foreign(UserProfile.id)', uselist=False)
    followings = db.relationship('Relation', primaryjoin='User.id==foreign(Relation.user_id)')



# 测试


user = User.query.get(1)
user.profile.gender
user.followings

3. 指定字段关联查询

class Relation(db.Model):
    ...
    target_user = db.relationship('User', primaryjoin='Relation.target_user_id==foreign(User.id)', uselist=False)

from sqlalchemy.orm import load_only, contains_eager

Relation.query.join(Relation.target_user).options(load_only(Relation.target_user_id), contains_eager(Relation.target_user).load_only(User.name)).all()

3 更新

方式一

user = User.query.get(1)
  user.name = 'Python'
  db.session.add(user)
  db.session.commit()

方式二

User.query.filter_by(id=1).update({'name':'python'})
  db.session.commit()

4 删除

方式一

user = User.query.order_by(User.id.desc()).first()
  db.session.delete(user)
  db.session.commit()

方式二

User.query.filter(User.mobile='18512345678').delete()
  db.session.commit()

5 事务

environ = {'wsgi.version':(1,0), 'wsgi.input': '', 'REQUEST_METHOD': 'GET', 'PATH_INFO': '/', 'SERVER_NAME': 'itcast server', 'wsgi.url_scheme': 'http', 'SERVER_PORT': '80'}

with app.request_context(environ):
    try:
        user = User(mobile='18911111111', name='itheima')
        db.session.add(user)
        db.session.flush() # 将db.session记录的sql传到数据库中执行
        profile = UserProfile(id=user.id)
        db.session.add(profile)
        db.session.commit()
    except:
        db.session.rollback()

数据库

数据库设计
SQLAlchemy
数据库理论
分布式ID
Redis

数据库理论

1. 复制集与分布式

复制集（Replication）
数据库中数据相同，起到备份作用
高可用 High Available HA
分布式（Distribution）
数据库中数据不同，共同组成完整的数据集合
通常每个节点被称为一个分片（shard)
高吞吐 High Throughput
复制集与分布式可以单独使用，也可以组合使用（即每个分片都组建一个复制集）
关于主（Master）从（Slave）
这个概念是从使用的角度来阐述问题的
主节点 -> 表示程序在这个节点上最先更新数据
从节点 -> 表示这个节点的数据是要通过复制主节点而来
复制集可选主从、主主、主主从从
分布式每个分片都是主，组合使用复制集的时候，复制集的是从

2. MySQL

1）主从复制

复制分成三步：

master将改变记录到二进制日志(binary log)中（这些记录叫做二进制日志事件，binary log events）；
slave将master的binary log events拷贝到它的中继日志(relay log)；
slave重做中继日志中的事件，将改变反映它自己的数据。

下图描述了这一过程：

主从复制

该过程的第一部分就是master记录二进制日志。在每个事务更新数据完成之前，master在二日志记录这些改变。MySQL将事务串行的写入二进制日志，即使事务中的语句都是交叉执行的。在事件写入二进制日志完成后，master通知存储引擎提交事务。

下一步就是slave将master的binary log拷贝到它自己的中继日志。首先，slave开始一个工作线程——I/O线程。I/O线程在master上打开一个普通的连接，然后开始binlog dump process。Binlog dump process从master的二进制日志中读取事件，如果已经跟上master，它会睡眠并等待master产生新的事件。I/O线程将这些事件写入中继日志。

SQL slave thread处理该过程的最后一步。SQL线程从中继日志读取事件，更新slave的数据，使其与master中的数据一致。只要该线程与I/O线程保持一致，中继日志通常会位于OS的缓存中，所以中继日志的开销很小。

此外，在master中也有一个工作线程：和其它MySQL的连接一样，slave在master中打开一个连接也会使得master开始一个线程。

利用主从在达到高可用的同时，也可以通过读写分离提供吞吐量。

思考：读写分离对事务是否有影响？

对于事务中同时包含读写操作，与事务隔离级别设置有关，如果事务隔离级别为read-uncommitted 或者 read-committed，读写分离没影响，如果隔离级别为repeatable-read、serializable，读写分离就有影响，因为在slave上会看到新数据，而正在事务中的master看不到新数据。

2）分库分表（sharding）

分库分表前的问题

任何问题都是太大或者太小的问题，我们这里面对的数据量太大的问题。

用户请求量太大

因为单服务器TPS，内存，IO都是有限的。解决方法：分散请求到多个服务器上；其实用户请求和执行一个sql查询是本质是一样的，都是请求一个资源，只是用户请求还会经过网关，路由，http服务器等。

单库太大

单个数据库处理能力有限；单库所在服务器上磁盘空间不足；单库上操作的IO瓶颈解决方法：切分成更多更小的库

单表太大

CRUD都成问题；索引膨胀，查询超时解决方法：切分成多个数据集更小的表。

分库分表的方式方法

一般就是垂直切分和水平切分，这是一种结果集描述的切分方式，是物理空间上的切分。我们从面临的问题，开始解决，阐述：首先是用户请求量太大，我们就堆机器搞定（这不是本文重点）。

然后是单个库太大，这时我们要看是因为表多而导致数据多，还是因为单张表里面的数据多。如果是因为表多而数据多，使用垂直切分，根据业务切分成不同的库。

如果是因为单张表的数据量太大，这时要用水平切分，即把表的数据按某种规则切分成多张表，甚至多个库上的多张表。 分库分表的顺序应该是先垂直分，后水平分。 因为垂直分更简单，更符合我们处理现实世界问题的方式。

垂直拆分

垂直分表

也就是“大表拆小表”，基于列字段进行的。一般是表中的字段较多，将不常用的，数据较大，长度较长（比如text类型字段）的拆分到“扩展表“。一般是针对那种几百列的大表，也避免查询时，数据量太大造成的“跨页”问题。

垂直分库

垂直分库针对的是一个系统中的不同业务进行拆分，比如用户User一个库，商品Producet一个库，订单Order一个库。切分后，要放在多个服务器上，而不是一个服务器上。为什么？我们想象一下，一个购物网站对外提供服务，会有用户，商品，订单等的CRUD。没拆分之前，全部都是落到单一的库上的，这会让数据库的单库处理能力成为瓶颈。按垂直分库后，如果还是放在一个数据库服务器上，随着用户量增大，这会让单个数据库的处理能力成为瓶颈，还有单个服务器的磁盘空间，内存，tps等非常吃紧。所以我们要拆分到多个服务器上，这样上面的问题都解决了，以后也不会面对单机资源问题。

数据库业务层面的拆分，和服务的“治理”，“降级”机制类似，也能对不同业务的数据分别的进行管理，维护，监控，扩展等。数据库往往最容易成为应用系统的瓶颈，而数据库本身属于“有状态”的，相对于Web和应用服务器来讲，是比较难实现“横向扩展”的。数据库的连接资源比较宝贵且单机处理能力也有限，在高并发场景下，垂直分库一定程度上能够突破IO、连接数及单机硬件资源的瓶颈。

水平拆分

水平分表

针对数据量巨大的单张表（比如订单表），按照某种规则（RANGE,HASH取模等），切分到多张表里面去。但是这些表还是在同一个库中，所以库级别的数据库操作还是有IO瓶颈。不建议采用。

水平分库分表

将单张表的数据切分到多个服务器上去，每个服务器具有相应的库与表，只是表中数据集合不同。水平分库分表能够有效的缓解单机和单库的性能瓶颈和压力，突破IO、连接数、硬件资源等的瓶颈。

水平分库分表切分规则
1. RANGE

从0到10000一个表，10001到20000一个表；

HASH取模离散化

一个商场系统，一般都是将用户，订单作为主表，然后将和它们相关的作为附表，这样不会造成跨库事务之类的问题。取用户id，然后hash取模，分配到不同的数据库上。

地理区域

比如按照华东，华南，华北这样来区分业务，七牛云应该就是如此。

时间

按照时间切分，就是将6个月前，甚至一年前的数据切出去放到另外的一张表，因为随着时间流逝，这些表的数据被查询的概率变小，所以没必要和“热数据”放在一起，这个也是“冷热数据分离”。

分库分表后面临的问题

事务支持

分库分表后，就成了分布式事务了。如果依赖数据库本身的分布式事务管理功能去执行事务，将付出高昂的性能代价；如果由应用程序去协助控制，形成程序逻辑上的事务，又会造成编程方面的负担。

多库结果集合并（group by，order by）
跨库join

分库分表后表之间的关联操作将受到限制，我们无法join位于不同分库的表，也无法join分表粒度不同的表，结果原本一次查询能够完成的业务，可能需要多次查询才能完成。粗略的解决方法：全局表：基础数据，所有库都拷贝一份。字段冗余：这样有些字段就不用join去查询了。系统层组装：分别查询出所有，然后组装起来，较复杂。

分库分表方案产品

目前市面上的分库分表中间件相对较多，其中基于方式的有MySQL Proxy和Amoeba，基于Hibernate框架的是Hibernate Shards，基于jdbc的有当当sharding-jdbc，基于mybatis的类似maven插件式的有蘑菇街的蘑菇街TSharding，通过重写spring的ibatis template类的Cobar Client。

还有一些大公司的开源产品：

分库分表

3 头条项目应用

主从
垂直分表

CREATE TABLE `user_basic` (
  `user_id` bigint(20) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '用户ID',
  `account` varchar(20) COMMENT '账号',
  `email` varchar(20) COMMENT '邮箱',
  `status` tinyint(1) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '状态，是否可用，0-不可用，1-可用',
  `mobile` char(11) NOT NULL COMMENT '手机号',
  `password` varchar(93) NULL COMMENT '密码',
  `user_name` varchar(32) NOT NULL COMMENT '昵称',
  `profile_photo` varchar(128) NULL COMMENT '头像',
  `last_login` datetime NULL COMMENT '最后登录时间',
  `is_media` tinyint(1) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '是否是自媒体，0-不是，1-是',
  `is_verified` tinyint(1) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '是否实名认证，0-不是，1-是',
  `introduction` varchar(50) NULL COMMENT '简介',
  `certificate` varchar(30) NULL COMMENT '认证',
  `article_count` int(11) unsigned NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '发文章数',
  `following_count` int(11) unsigned NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '关注的人数',
  `fans_count` int(11) unsigned NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '被关注的人数',
  `like_count` int(11) unsigned NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '累计点赞人数',
  `read_count` int(11) unsigned NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '累计阅读人数',
  PRIMARY KEY (`user_id`),
  UNIQUE KEY `mobile` (`mobile`),
  UNIQUE KEY `user_name` (`user_name`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='用户基本信息表';

CREATE TABLE `user_profile` (
  `user_id` bigint(20) unsigned NOT NULL COMMENT '用户ID',
  `gender` tinyint(1) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '性别，0-男，1-女',
  `birthday` date NULL COMMENT '生日',
  `real_name` varchar(32) NULL COMMENT '真实姓名',
  `id_number` varchar(20) NULL COMMENT '身份证号',
  `id_card_front` varchar(128) NULL COMMENT '身份证正面',
  `id_card_back` varchar(128) NULL COMMENT '身份证背面',
  `id_card_handheld` varchar(128) NULL COMMENT '手持身份证',
  `create_time` datetime NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',
  `update_time` datetime NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '更新时间',
  `register_media_time` datetime NULL COMMENT '注册自媒体时间',
  `area` varchar(20) COMMENT '地区',
  `company` varchar(20) COMMENT '公司',
  `career` varchar(20) COMMENT '职业',
  PRIMARY KEY (`user_id`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='用户资料表';

CREATE TABLE `news_article_basic` (
  `article_id` bigint(20) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT COMMENT '文章ID',
  `user_id` bigint(20) unsigned NOT NULL COMMENT '用户ID',
  `channel_id` int(11) unsigned NOT NULL COMMENT '频道ID',
  `title` varchar(128) NOT NULL COMMENT '标题',
  `cover` json NOT NULL COMMENT '封面',
  `is_advertising` tinyint(1) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '是否投放广告，0-不投放，1-投放',
  `create_time` datetime NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '创建时间',
  `update_time` datetime NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP COMMENT '更新时间',
  `status` tinyint(1) NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '贴文状态，0-草稿，1-待审核，2-审核通过，3-审核失败，4-已删除',
  `reviewer_id` int(11) NULL COMMENT '审核人员ID',
  `review_time` datetime NULL COMMENT '审核时间',
  `delete_time` datetime NULL COMMENT '删除时间',
  `reject_reason` varchar(200) COMMENT '驳回原因',
  `comment_count` int(11) unsigned NOT NULL DEFAULT '0' COMMENT '累计评论数',
  `allow_comment` tinyint(1) NOT NULL DEFAULT '1' COMMENT '是否允许评论，0-不允许，1-允许',
  PRIMARY KEY (`article_id`),
  KEY `user_id` (`user_id`),
  KEY `article_status` (`status`)
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='文章基本信息表';

CREATE TABLE `news_article_content` (
  `article_id` bigint(20) unsigned NOT NULL COMMENT '文章ID',
  `content` longtext NOT NULL COMMENT '文章内容',
  PRIMARY KEY (`article_id`)
) ENGINE=MyISAM DEFAULT CHARSET=utf8 COMMENT='文章内容表';

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数据库

SQLAlchemy操作

1 新增

2 查询

all()

first()

get()

另一种查询方式

filter_by

filter

逻辑或

逻辑与

逻辑非

offset

limit

order_by

复合查询

优化查询

聚合查询

关联查询

1. 使用ForeignKey

2. 使用primaryjoin

3. 指定字段关联查询

3 更新

4 删除

5 事务

数据库

数据库理论

1. 复制集与分布式

2. MySQL

1） 主从复制

思考：读写分离对事务是否有影响？

2）分库分表（sharding）

分库分表前的问题

分库分表的方式方法

垂直拆分

水平拆分

分库分表后面临的问题

分库分表方案产品

3 头条项目应用

未完待续， 同学们请等待下一期

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1）主从复制

未完待续，同学们请等待下一期

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