前言

上一篇以遊戲為例說明OOP開發方式，這次則以OOP開發資料庫應用程式。

Python有許多資料庫程式開發套件，其中Django、SQLAlchemy最為盛行，Django是一網頁架構套件，兼具資料庫存取模組，而SQLAlchemy則只聚焦在資料庫存取，可搭配其他網頁架構套件開發，例如Flask、FastAPI。

關聯式資料庫的存取方式為SQL語言，程式設計師須額外學習SQL，因此，有人提出ORM(Object Relational Mapping)技術，以類別(Class)對應資料表(Table)，藉由操作物件的方式自動生成並執行SQL，對資料庫進行新增/更正/刪除/查詢(CRUD)動作，優點包括：

1. 不需額外學習SQL語言。
2. 可以模組化資料庫存取程式。

缺點包括：

1. 效能較差：操作物件的動作要先轉換成SQL，再對資料庫進行CRUD。
2. 除錯較困難：生成SQL是否正確或具備效率，需額外確認及修正。

實作

以Django為例，使用ORM步驟如下：

1. 建立類別(Class)對應資料表(Table)。
2. 建立空白的資料庫。
3. 生成並執行Migration plan，產生資料表結構(Schema)。
4. 撰寫程式，創建及操作物件，以對資料庫進行新增/更正/刪除/查詢(CRUD)。

先安裝Django套件，指令如下：

pip install django -U

範例1. Django最簡程式，程式目錄為mysite。

1. 建立新專案mysite：執行後會建立空白的SQLite資料庫db.sqlite3。

django-admin startproject mysite

2. 切換至專案目錄mysite，並啟動server。

cd mysite
python manage.py runserver

3. 測試：開啟瀏覽器，輸入 http://localhost:8000/ 。

4. 執行結果：
   

範例2. 延續範例1，建立模型及資料表。

1. 生成Migration plan：會在資料庫內生成一堆的資料表，包括使用者、權限控管及管理者工作日誌...等資料表，最重要的是django_migrations資料表，它記錄模型與資料表同步的歷史。

python manage.py migrate

2. 建立app：一個專案內可以有多個App，以下列指令建立polls app。

python manage.py startapp polls

3. 將polls app納入專案設定檔：修改mysite\mysite\settings.py，加入polls.apps.PollsConfig。

INSTALLED_APPS = [
    "polls.apps.PollsConfig",
    "django.contrib.admin",

4. 建立模型：每個類別均繼承Django的models.Model，類別內定義欄位，欄位型態可參閱【Django Model field reference】，程式名稱為mysite\polls\models.py。以實體關聯圖(Entity Relationship Diagram, ERD)表示一對多關係，即一個問題(Question)對應多個答案選項(Choice)。
   

from django.db import models

# 問題
class Question(models.Model):
    question_text = models.CharField(max_length=200)
    pub_date = models.DateTimeField("date published")

# 答案選項
class Choice(models.Model):
    question = models.ForeignKey(Question, on_delete=models.CASCADE)
    choice_text = models.CharField(max_length=200)
    votes = models.IntegerField(default=0)

5. 建立Migration plan的記錄檔：會比較app的models.py與資料庫的差異，生成同步所需的程式碼。

python manage.py makemigrations polls

6. 執行結果：產生0001_initial.py檔案，包括差異的內容。

Migrations for 'polls':
  polls\migrations\0001_initial.py
    + Create model Question
    + Create model Choice

7. 同步測試：指定同步檔案的代號(0001)，此步驟非必要，只是查看SQL指令。

python manage.py sqlmigrate polls 0001

8. 執行結果：會顯示SQL指令。

BEGIN;
--
-- Create model Question
--
CREATE TABLE "polls_question" ("id" integer NOT NULL PRIMARY KEY AUTOINCREMENT, "question_text" varchar(200) NOT NULL, "pub_date" datetime NOT NULL);
--
-- Create model Choice
--
CREATE TABLE "polls_choice" ("id" integer NOT NULL PRIMARY KEY AUTOINCREMENT, "choice_text" varchar(200) NOT NULL, "votes" integer NOT NULL, "question_id" bigint NOT NULL REFERENCES "polls_question" ("id") DEFERRABLE INITIALLY DEFERRED);
CREATE INDEX "polls_choice_question_id_c5b4b260" ON "polls_choice" ("question_id");
COMMIT;

9. 同步：系統會檢查資料庫的django_migrations資料表，檢視上次同步到哪一個步驟，以下指令會執行全部尚未被執行的計劃。

python manage.py migrate

10. 執行結果：查看mysite\db.sqlite3，可以看到polls_question、polls_choice資料表，筆者使用【SQLiteSpy】工具軟體。
    

資料存取(CRUD)

目前只有空白資料表，沒有資料，我們可以利用指令對資料庫進行新增/更正/刪除/查詢(CRUD)，當然，正常是應該使用網頁，不過本文是介紹ORM，就先省略了。

範例3. 利用Django shell操作資料庫。

1. 先執行Django shell，會出現互動式環境。

python manage.py shell

2. 查詢問題。

from polls.models import Choice, Question
Question.objects.all()

3. 執行結果：沒有資料。

<QuerySet []>

4. 新增問題。

from django.utils import timezone
q = Question(question_text="What's new president?", pub_date=timezone.now())
q.save()
q.id

5. 執行結果：得到新增問題資料的id=1，再查看資料，確實有一筆資料。
   

6. 但時間是格林威治時區，可修改mysite\settings.py的TIME_ZONE為Asia/Taipei及USE_TZ = False，再重新執行python manage.py shell。

7. 修改問題。

q = Question.objects.first()
q.pub_date=timezone.now()
q.save()

8. 執行結果：得到正確的時間。

9. 刪除問題。

q.delete()

10. 執行結果：再使用 Question.objects.all()查詢，已無該筆資料。

11. 可設定篩選資料查詢。

Question.objects.filter(id=6) # 查id=6，可能傳回多筆(list)
Question.objects.frist()      # 傳回第一筆
Question.objects.get(pk=6)    # 傳回主鍵(primary key)=6的那一筆

12. 新增答案：question屬性值須為Question物件，而非id。

c1 = Choice(question = q, choice_text = '川普', votes = 1)
c1.save()
c2 = Choice(question = q, choice_text = '賀錦麗', votes = 2)
c2.save()

13. 執行結果：
    

結語

以上就是ORM的操作方式，完全以OOP精神開發資料庫應用程式，從上一篇的遊戲開發及本篇，可以看到如何從分析、設計到程式撰寫連貫的脈絡。

Django的操作指令雖然繁瑣，與C# Entity Framework、Rust套件...等都是相似的作法，熟悉Migration Plan有助於ORM觀念的理解，且在佈署至測試及上線環境上也較方便，只要將程式複製，並執行以下指令，就可以一次建立好所有資料表，讀者複製GitHub後，也可以刪除db.sqlite3，執行以下指令重建資料庫。

python manage.py migrate

下一篇會討論資料庫設計(Schema design)，並完成網頁設計。

本系列的程式碼會統一放在GitHub，本篇的程式放在src/13資料夾，歡迎讀者下載測試，如有錯誤或疏漏，請不吝指正。