Java 中 N+1 问题的集成测试

N+1问题：N+1问题是指在使用关系型数据库时，在获取一组对象及其关联对象时，产生额外的数据库查询的问题。其中N表示要获取的主对象的数量，而在获取每个主对象的关联对象时，会产生额外的1次查询。

N+1问题是很多项目中的通病。遗憾的是，直到数据量变得庞大时，我们才注意到它。不幸的是，当处理 N + 1 问题成为一项难以承受的任务时，代码可能会达到了一定规模。

在这篇文章中，我们将开始关注以下几点问题：

1. 如何自动跟踪N+1问题？
2. 如何编写测试来检查查询计数是否超过预期值？

N + 1 问题的一个例子

假设我们正在开发管理动物园的应用程序。在这种情况下，有两个核心实体：Zoo和Animal。请看下面的代码片段：

@Entity
@Table(name = "zoo")
public class Zoo {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = IDENTITY)
    private Long id;

    private String name;

    @OneToMany(mappedBy = "zoo", cascade = PERSIST)
    private List<Animal> animals = new ArrayList<>();
}

@Entity
@Table(name = "animal")
public class Animal {
    @Id
    @GeneratedValue(strategy = IDENTITY)
    private Long id;

    @ManyToOne(fetch = LAZY)
    @JoinColumn(name = "zoo_id")
    private Zoo zoo;

    private String name;
}

现在我们想要检索所有现有的动物园及其动物。看看ZooService下面的代码。

@Service
@RequiredArgsConstructor
public class ZooService {
    private final ZooRepository zooRepository;

    @Transactional(readOnly = true)
    public List<ZooResponse> findAllZoos() {
        final var zoos = zooRepository.findAll();
        return zoos.stream()
                   .map(ZooResponse::new)
                   .toList();
    }
}

此外，我们要检查一切是否顺利进行。简单的集成测试：

@DataJpaTest
@AutoConfigureTestDatabase(replace = NONE)
@Transactional(propagation = NOT_SUPPORTED)
@Testcontainers
@Import(ZooService.class
class ZooServiceTest {
    @Container
    static final PostgreSQLContainer<?> POSTGRES = new PostgreSQLContainer<>("postgres:13");

    @DynamicPropertySource
    static void setProperties(DynamicPropertyRegistry registry) {
        registry.add("spring.datasource.url", POSTGRES::getJdbcUrl);
        registry.add("spring.datasource.username", POSTGRES::getUsername);
        registry.add("spring.datasource.password", POSTGRES::getPassword);
    }

    @Autowired
    private ZooService zooService;
    @Autowired
    private ZooRepository zooRepository;

    @Test
    void shouldReturnAllZoos() {
        /* data initialization... */
        zooRepository.saveAll(List.of(zoo1, zoo2));

        final var allZoos = assertQueryCount(
            () -> zooService.findAllZoos(),
            ofSelects(1)
        );

        /* assertions... */
        assertThat(
            ...
        );
    }
}

测试成功通过。但是，如果记录 SQL 语句，会注意到以下几点：

-- selecting all zoos
select z1_0.id,z1_0.name from zoo z1_0
-- selecting animals for the first zoo
select a1_0.zoo_id,a1_0.id,a1_0.name from animal a1_0 where a1_0.zoo_id=?
-- selecting animals for the second zoo
select a1_0.zoo_id,a1_0.id,a1_0.name from animal a1_0 where a1_0.zoo_id=?

如所见，我们select对每个 present 都有一个单独的查询Zoo。查询总数等于所选动物园的数量+1。因此，这是N+1问题。

这可能会导致严重的性能损失。尤其是在大规模数据上。

自动跟踪 N+1 问题

当然，我们可以自行运行测试、查看日志和计算查询次数，以确定可行的性能问题。无论如何，这效率很低。。

有一个非常高效的库，叫做datasource-proxy。它提供了一个方便的 API 来javax.sql.DataSource使用包含特定逻辑的代理来包装接口。例如，我们可以注册在查询执行之前和之后调用的回调。该库还包含开箱即用的解决方案来计算已执行的查询。我们将对其进行一些改动以满足我们的需要。

查询计数服务

首先，将库添加到依赖项中：

implementation "net.ttddyy:datasource-proxy:1.8"

现在创建QueryCountService. 它是保存当前已执行查询计数并允许您清理它的单例。请看下面的代码片段。

@UtilityClass
public class QueryCountService {
    static final SingleQueryCountHolder QUERY_COUNT_HOLDER = new SingleQueryCountHolder();

    public static void clear() {
        final var map = QUERY_COUNT_HOLDER.getQueryCountMap();
        map.putIfAbsent(keyName(map), new QueryCount());
    }

    public static QueryCount get() {
        final var map = QUERY_COUNT_HOLDER.getQueryCountMap();
        return ofNullable(map.get(keyName(map))).orElseThrow();
    }

    private static String keyName(Map<String, QueryCount> map) {
        if (map.size() == 1) {
            return map.entrySet()
                       .stream()
                       .findFirst()
                       .orElseThrow()
                       .getKey();
        }
        throw new IllegalArgumentException("Query counts map should consists of one key: " + map);
    }
}

在那种情况下，我们假设_DataSource_我们的应用程序中有一个。这就是_keyName_函数否则会抛出异常的原因。但是，代码不会因使用多个数据源而有太大差异。

将SingleQueryCountHolder所有QueryCount对象存储在常规ConcurrentHashMap.

相反，_ThreadQueryCountHolder_将值存储在_ThreadLocal_对象中。但是_SingleQueryCountHolder_对于我们的情况来说已经足够了。

API 提供了两种方法。该get方法返回当前执行的查询数量，同时clear将计数设置为零。

BeanPostProccessor 和 DataSource 代理

现在我们需要注册QueryCountService以使其从 收集数据DataSource。在这种情况下，BeanPostProcessor 接口就派上用场了。请看下面的代码示例。

@TestComponent
public class DatasourceProxyBeanPostProcessor implements BeanPostProcessor {
    @Override
    public Object postProcessAfterInitialization(Object bean, String beanName) {
        if (bean instanceof DataSource dataSource) {
            return ProxyDataSourceBuilder.create(dataSource)
                       .countQuery(QUERY_COUNT_HOLDER)
                       .build();
        }
        return bean;
    }
}

我用注释标记类_@TestComponent_并将其放入_src/test_目录，因为我不需要对测试范围之外的查询进行计数。

如您所见，这个想法很简单。如果一个 bean 是DataSource，则将其包裹起来ProxyDataSourceBuilder并将QUERY_COUNT_HOLDER值作为QueryCountStrategy.

最后，我们要断言特定方法的已执行查询量。看看下面的代码实现：

@UtilityClass
public class QueryCountAssertions {
    @SneakyThrows
    public static <T> T assertQueryCount(Supplier<T> supplier, Expectation expectation) {
        QueryCountService.clear();
        final var result = supplier.get();
        final var queryCount = QueryCountService.get();
        assertAll(
            () -> {
                if (expectation.selects >= 0) {
                    assertEquals(expectation.selects, queryCount.getSelect(), "Unexpected selects count");
                }
            },
            () -> {
                if (expectation.inserts >= 0) {
                    assertEquals(expectation.inserts, queryCount.getInsert(), "Unexpected inserts count");
                }
            },
            () -> {
                if (expectation.deletes >= 0) {
                    assertEquals(expectation.deletes, queryCount.getDelete(), "Unexpected deletes count");
                }
            },
            () -> {
                if (expectation.updates >= 0) {
                    assertEquals(expectation.updates, queryCount.getUpdate(), "Unexpected updates count");
                }
            }
        );
        return result;
    }
}

该代码很简单：

1. 将当前查询计数设置为零。
2. 执行提供的 lambda。
3. 将查询计数给定的Expectation对象。
4. 如果一切顺利，返回执行结果。

此外，您还注意到了一个附加条件。如果提供的计数类型小于零，则跳过断言。不关心其他查询计数时，这很方便。

该类Expectation只是一个常规数据结构。看下面它的声明：

@With
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public static class Expectation {
    private int selects = -1;
    private int inserts = -1;
    private int deletes = -1;
    private int updates = -1;

    public static Expectation ofSelects(int selects) {
        return new Expectation().withSelects(selects);
    }

    public static Expectation ofInserts(int inserts) {
        return new Expectation().withInserts(inserts);
    }

    public static Expectation ofDeletes(int deletes) {
        return new Expectation().withDeletes(deletes);
    }

    public static Expectation ofUpdates(int updates) {
        return new Expectation().withUpdates(updates);
    }
}

最后的例子

让我们看看它是如何工作的。首先，我在之前的 N+1 问题案例中添加了查询断言。看下面的代码块：

final var allZoos = assertQueryCount(
    () -> zooService.findAllZoos(),
    ofSelects(1)
);

不要忘记
_DatasourceProxyBeanPostProcessor_在测试中作为 Spring bean 导入。

如果我们重新运行测试，我们将得到下面的输出。

Multiple Failures (1 failure)
    org.opentest4j.AssertionFailedError: Unexpected selects count ==> expected: <1> but was: <3>
Expected :1
Actual   :3

所以，确实有效。我们设法自动跟踪 N+1 问题。是时候用 替换常规选择了JOIN FETCH。请看下面的代码片段。

public interface ZooRepository extends JpaRepository<Zoo, Long> {
    @Query("FROM Zoo z LEFT JOIN FETCH z.animals")
    List<Zoo> findAllWithAnimalsJoined();
}

@Service
@RequiredArgsConstructor
public class ZooService {
    private final ZooRepository zooRepository;

    @Transactional(readOnly = true)
    public List<ZooResponse> findAllZoos() {
        final var zoos = zooRepository.findAllWithAnimalsJoined();
        return zoos.stream()
                   .map(ZooResponse::new)
                   .toList();
    }
}

让我们再次运行测试并查看结果：

这意味着正确地跟踪了 N + 1 个问题。此外，如果查询数量等于预期数量，则它会成功通过。

结论

事实上，定期测试可以防止 N+1 问题。这是一个很好的机会，可以保护那些对性能至关重要的代码部分。