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第 5 章:数据库

大部分程序都需要保存数据,所以不可避免要使用数据库。用来操作数据库的数据库管理系统(DBMS)有很多选择,对于不同类型的程序,不同的使用场景,都会有不同的选择。在这个教程中,我们选择了属于关系型数据库管理系统(RDBMS)的 SQLite,它基于文件,不需要单独启动数据库服务器,适合在开发时使用,或是在数据库操作简单、访问量低的程序中使用。

使用 SQLAlchemy 操作数据库

为了简化数据库操作,我们将使用 SQLAlchemy——一个 Python 数据库工具(ORM,即对象关系映射)。借助 SQLAlchemy,你可以通过定义 Python 类来表示数据库里的一张表(类属性表示表中的字段 / 列),通过对这个类进行各种操作来代替写 SQL 语句。这个类我们称之为模型类,类中的属性我们将称之为字段

Flask 有大量的第三方扩展,这些扩展可以简化和第三方库的集成工作。我们下面将使用一个叫做 Flask-SQLAlchemy 的扩展来集成 SQLAlchemy。

首先安装它:

(env) $ pip install flask-sqlalchemy

大部分扩展都需要执行一个“初始化”操作。你需要导入扩展类,实例化并传入 Flask 程序实例:

from flask_sqlalchemy import SQLAlchemy  # 导入扩展类

app = Flask(__name__)

db = SQLAlchemy(app)  # 初始化扩展,传入程序实例 app

设置数据库 URI

为了设置 Flask、扩展或是我们程序本身的一些行为,我们需要设置和定义一些配置变量。Flask 提供了一个统一的接口来写入和获取这些配置变量:Flask.config 字典。配置变量的名称必须使用大写,写入配置的语句一般会放到扩展类实例化语句之前。

下面写入了一个 SQLALCHEMY_DATABASE_URI 变量来告诉 SQLAlchemy 数据库连接地址:

import os

# ...

app.config['SQLALCHEMY_DATABASE_URI'] = 'sqlite:////' + os.path.join(app.root_path, 'data.db')

注意 这个配置变量的最后一个单词是 URI,而不是 URL。

对于这个变量值,不同的 DBMS 有不同的格式,对于 SQLite 来说,这个值的格式如下:

sqlite:////数据库文件的绝对地址

数据库文件一般放到项目根目录即可,app.root_path 返回程序实例所在模块的路径(目前来说,即项目根目录),我们使用它来构建文件路径。数据库文件的名称和后缀你可以自由定义,一般会使用 .db、.sqlite 和 .sqlite3 作为后缀。

另外,如果你使用 Windows 系统,上面的 URI 前缀部分只需要写入三个斜线(即 sqlite:///)。在本书的示例程序代码里,做了一些兼容性处理,另外还新设置了一个配置变量,实际的代码如下:

app.py:数据库配置

import os
import sys

from flask import Flask
from flask_sqlalchemy import SQLAlchemy

WIN = sys.platform.startswith('win')
if WIN:  # 如果是 Windows 系统,使用三个斜线
    prefix = 'sqlite:///'
else:  # 否则使用四个斜线
    prefix = 'sqlite:////'

app = Flask(__name__)
app.config['SQLALCHEMY_DATABASE_URI'] = prefix + os.path.join(app.root_path, 'data.db')
app.config['SQLALCHEMY_TRACK_MODIFICATIONS'] = False  # 关闭对模型修改的监控
# 在扩展类实例化前加载配置
db = SQLAlchemy(app)

如果你固定在某一个操作系统上进行开发,部署时也使用相同的操作系统,那么可以不用这么做,直接根据你的需要写出前缀即可。

提示 你可以访问 Flask 文档的配置页面查看 Flask 内置的配置变量;同样的,在 Flask-SQLAlchemy 文档的配置页面可以看到 Flask-SQLAlchemy 提供的配置变量。

创建数据库模型

在 Watchlist 程序里,目前我们有两类数据要保存:用户信息和电影条目信息。下面分别创建了两个模型类来表示这两张表:

app.py:创建数据库模型

class User(db.Model):  # 表名将会是 user(自动生成,小写处理)
    id = db.Column(db.Integer, primary_key=True)  # 主键
    name = db.Column(db.String(20))  # 名字


class Movie(db.Model):  # 表名将会是 movie
    id = db.Column(db.Integer, primary_key=True)  # 主键
    title = db.Column(db.String(60))  # 电影标题
    year = db.Column(db.String(4))  # 电影年份

模型类的编写有一些限制:

  • 模型类要声明继承 db.Model
  • 每一个类属性(字段)要实例化 db.Column,传入的参数为字段的类型,下面的表格列出了常用的字段类。
  • db.Column() 中添加额外的选项(参数)可以对字段进行设置。比如,primary_key 设置当前字段是否为主键。除此之外,常用的选项还有 nullable(布尔值,是否允许为空值)、index(布尔值,是否设置索引)、unique(布尔值,是否允许重复值)、default(设置默认值)等。

常用的字段类型如下表所示:

字段类 说明
db.Integer 整型
db.String (size) 字符串,size 为最大长度,比如 db.String(20)
db.Text 长文本
db.DateTime 时间日期,Python datetime 对象
db.Float 浮点数
db.Boolean 布尔值

创建数据库表

模型类创建后,还不能对数据库进行操作,因为我们还没有创建表和数据库文件。下面在 Python Shell 中创建了它们:

(env) $ flask shell
>>> from app import db
>>> db.create_all()

打开文件管理器,你会发现项目根目录下出现了新创建的数据库文件 data.db。这个文件不需要提交到 Git 仓库,我们在 .gitignore 文件最后添加一行新规则:

*.db

如果你改动了模型类,想重新生成表模式,那么需要先使用 db.drop_all() 删除表,然后重新创建:

>>> db.drop_all()
>>> db.create_all()

注意这会一并删除所有数据,如果你想在不破坏数据库内的数据的前提下变更表的结构,需要使用数据库迁移工具,比如集成了 AlembicFlask-Migrate 扩展。

提示 上面打开 Python Shell 使用的是 flask shell命令,而不是 python。使用这个命令启动的 Python Shell 激活了“程序上下文”,它包含一些特殊变量,这对于某些操作是必须的(比如上面的 db.create_all()调用)。请记住,后续的 Python Shell 都会使用这个命令打开。

flask shell类似,我们可以编写一个自定义命令来自动执行创建数据库表操作:

app.py:自定义命令 initdb

import click


@app.cli.command()  # 注册为命令,可以传入 name 参数来自定义命令
@click.option('--drop', is_flag=True, help='Create after drop.')  # 设置选项
def initdb(drop):
    """Initialize the database."""
    if drop:  # 判断是否输入了选项
        db.drop_all()
    db.create_all()
    click.echo('Initialized database.')  # 输出提示信息

默认情况下,如果没有指定,函数名称就是命令的名字(注意函数名中的下划线会被转换为连接线),现在执行 flask initdb 命令就可以创建数据库表:

(env) $ flask initdb

使用 --drop 选项可以删除表后重新创建:

(env) $ flask initdb --drop

创建、读取、更新、删除

在前面打开的 Python Shell 里,我们来测试一下常见的数据库操作。你可以跟着示例代码来操作,也可以自由练习。

创建

下面的操作演示了如何向数据库中添加记录:

>>> from app import User, Movie  # 导入模型类
>>> user = User(name='Grey Li')  # 创建一个 User 记录
>>> m1 = Movie(title='Leon', year='1994')  # 创建一个 Movie 记录
>>> m2 = Movie(title='Mahjong', year='1996')  # 再创建一个 Movie 记录
>>> db.session.add(user)  # 把新创建的记录添加到数据库会话
>>> db.session.add(m1)
>>> db.session.add(m2)
>>> db.session.commit()  # 提交数据库会话,只需要在最后调用一次即可

提示 在实例化模型类的时候,我们并没有传入 id 字段(主键),因为 SQLAlchemy 会自动处理这个字段。

最后一行 db.session.commit() 很重要,只有调用了这一行才会真正把记录提交进数据库,前面的 db.session.add() 调用是将改动添加进数据库会话(一个临时区域)中。

读取

通过对模型类的 query 属性调用可选的过滤方法和查询方法,我们就可以获取到对应的单个或多个记录(记录以模型类实例的形式表示)。查询语句的格式如下:

<模型类>.query.<过滤方法可选>.<查询方法>

下面是一些常用的过滤方法:

过滤方法 说明
filter() 使用指定的规则过滤记录,返回新产生的查询对象
filter_by() 使用指定规则过滤记录(以关键字表达式的形式),返回新产生的查询对象
order_by() 根据指定条件对记录进行排序,返回新产生的查询对象
group_by() 根据指定条件对记录进行分组,返回新产生的查询对象

下面是一些常用的查询方法:

查询方法 说明
all() 返回包含所有查询记录的列表
first() 返回查询的第一条记录,如果未找到,则返回 None
get(id) 传入主键值作为参数,返回指定主键值的记录,如果未找到,则返回 None
count() 返回查询结果的数量
first_or_404() 返回查询的第一条记录,如果未找到,则返回 404 错误响应
get_or_404(id) 传入主键值作为参数,返回指定主键值的记录,如果未找到,则返回 404 错误响应
paginate() 返回一个 Pagination 对象,可以对记录进行分页处理

下面的操作演示了如何从数据库中读取记录,并进行简单的查询:

>>> from app import Movie  # 导入模型类
>>> movie = Movie.query.first()  # 获取 Movie 模型的第一个记录(返回模型类实例)
>>> movie.title  # 对返回的模型类实例调用属性即可获取记录的各字段数据
'Leon'
>>> movie.year
'1994'
>>> Movie.query.all()  # 获取 Movie 模型的所有记录,返回包含多个模型类实例的列表
[<Movie 1>, <Movie 2>]
>>> Movie.query.count()  # 获取 Movie 模型所有记录的数量
2
>>> Movie.query.get(1)  # 获取主键值为 1 的记录
<Movie 1>
>>> Movie.query.filter_by(title='Mahjong').first()  # 获取 title 字段值为 Mahjong 的记录
<Movie 2>
>>> Movie.query.filter(Movie.title=='Mahjong').first()  # 等同于上面的查询,但使用不同的过滤方法
<Movie 2>

提示 我们在说 Movie 模型的时候,实际指的是数据库中的 movie 表。表的实际名称是模型类的小写形式(自动生成),如果你想自己指定表名,可以定义 __tablename__ 属性。

对于最基础的 filter() 过滤方法,SQLAlchemy 支持丰富的查询操作符,具体可以访问文档相关页面查看。除此之外,还有更多的查询方法、过滤方法和数据库函数可以使用,具体可以访问文档的 Query API 部分查看。

更新

下面的操作更新了 Movie 模型中主键为 2 的记录:

>>> movie = Movie.query.get(2)
>>> movie.title = 'WALL-E'  # 直接对实例属性赋予新的值即可
>>> movie.year = '2008'
>>> db.session.commit()  # 注意仍然需要调用这一行来提交改动

删除

下面的操作删除了 Movie 模型中主键为 1 的记录:

>>> movie = Movie.query.get(1)
>>> db.session.delete(movie)  # 使用 db.session.delete() 方法删除记录,传入模型实例
>>> db.session.commit()  # 提交改动

在程序里操作数据库

经过上面的一番练习,我们可以在 Watchlist 里进行实际的数据库操作了。

在主页视图读取数据库记录

因为设置了数据库,负责显示主页的 index 可以从数据库里读取真实的数据:

@app.route('/')
def index():
    user = User.query.first()  # 读取用户记录
    movies = Movie.query.all()  # 读取所有电影记录
    return render_template('index.html', user=user, movies=movies)

index 视图中,原来传入模板的 name 变量被 user 实例取代,模板 index.html 中的两处 name 变量也要相应的更新为 user.name 属性:

{{ user.name }}'s Watchlist

生成虚拟数据

因为有了数据库,我们可以编写一个命令函数把虚拟数据添加到数据库里。下面是用来生成虚拟数据的命令函数:

app.py:创建自定义命令 forge

import click


@app.cli.command()
def forge():
    """Generate fake data."""
    db.create_all()

    # 全局的两个变量移动到这个函数内
    name = 'Grey Li'
    movies = [
        {'title': 'My Neighbor Totoro', 'year': '1988'},
        {'title': 'Dead Poets Society', 'year': '1989'},
        {'title': 'A Perfect World', 'year': '1993'},
        {'title': 'Leon', 'year': '1994'},
        {'title': 'Mahjong', 'year': '1996'},
        {'title': 'Swallowtail Butterfly', 'year': '1996'},
        {'title': 'King of Comedy', 'year': '1999'},
        {'title': 'Devils on the Doorstep', 'year': '1999'},
        {'title': 'WALL-E', 'year': '2008'},
        {'title': 'The Pork of Music', 'year': '2012'},
    ]

    user = User(name=name)
    db.session.add(user)
    for m in movies:
        movie = Movie(title=m['title'], year=m['year'])
        db.session.add(movie)

    db.session.commit()
    click.echo('Done.')

现在执行 flask forge 命令就会把所有虚拟数据添加到数据库里:

(env) $ flask forge

本章小结

本章我们学习了使用 SQLAlchemy 操作数据库,后面你会慢慢熟悉相关的操作。结束前,让我们提交代码:

$ git add .
$ git commit -m "Add database support with Flask-SQLAlchemy"
$ git push

提示 你可以在 GitHub 上查看本书示例程序的对应 commit:4d2442a

进阶提示

  • 在生产环境,你可以更换更合适的 DBMS,因为 SQLAlchemy 支持多种 SQL 数据库引擎,通常只需要改动非常少的代码。
  • 我们的程序只有一个用户,所以没有将 User 表和 Movie 表建立关联。访问 Flask-SQLAlchemy 文档的“声明模型”章节可以看到相关内容。
  • 阅读 SQLAlchemy 官方文档和教程详细了解它的用法。注意我们在这里使用 Flask-SQLAlchemy 来集成它,所以用法和单独使用 SQLAlchemy 有一些不同。作为参考,你可以同时阅读 Flask-SQLAlchemy 官方文档
  • 如果你是《Flask Web 开发实战》的读者,第 5 章详细介绍了 SQLAlchemy 和 Flask-Migrate 的使用,第 8 章和第 9 章引入了更复杂的模型关系和查询方法。