はじめに
今回は私がN+1問題について調べたことをもとに，
- N+1問題とはなにか
- N+1問題を解決するためには
をアウトプットして言いたいと思います．まだまだひよっこエンジニアのため，修正点等があればコメントで教えてください！
N+1問題とは
データベースの操作においてよく見られるパフォーマンスの問題です．特にオブジェクト関係マッピング（ORM）を使用しているときに発生しやすい問題です．1つのデータを取得するために1回のクエリを実行すると，関連するデータを取得するために追加のN回のクエリは必要になり，結果として「N+1」回のクエリが必要になるケースを指します．
たとえば，あなたが友達10人にパーティーのお土産を渡すとします．友達一人一人に「何が欲しいの？」と聞いて，それを取りに行くのは非常に手間がかかりますよね．それよりも，最初に何が欲しいのかを全員に聞いてから，1度にすべてのお土産を取りに行く方が速いです．このように，N+1問題が発生したときに，それを解決する手段として有効なのが「一度にすべてを処理する」ことです．
N+1問題について考えるとき，Nが大きいときは処理に非常に時間がかかるので，打開策が必要になります．
この解決策として，
- JOINを利用して表の結合
- Eager Loading
の2種類があります．
これらの解決策についてそれぞれ説明したいと思います．
まずは例として以下のようなケースがあったとします．
ケース
以下のような「アニメ」のテーブルとアニメの「筆者」テーブルが存在するとします．
各アニメに対して，そのアニメの筆者の名前と年齢を知りたいとすると，まず以下のようなSQLを発行します．
SELECT * FROM アニメ;
次に，アニメテーブルの各レコードから筆者IDを用いて筆者テーブルから検索するSQLを打つ．
SELECT * FROM 筆者 WHERE 筆者ID=3;
SELECT * FROM 筆者 WHERE 筆者ID=2;
SELECT * FROM 筆者 WHERE 筆者ID=4;
SELECT * FROM 筆者 WHERE 筆者ID=1;
上記のケースでは，最初にアニメテーブルを取得してきて（1件のクエリ），次に筆者テーブルを取得（4件のクエリ）しないといけない．このケースではN=4ですが，Nが膨大な数になった場合，処理時間が膨大になってしまいます．
JOINを利用して表の結合
この問題を解決するために，SQLのJOIN句を使って，アニメと筆者テーブルを結合し，各アニメに対して筆者の名前と年齢を取得するためのSQLクエリの例です．
SELECT アニメ.アニメID,アニメ.タイトル,筆者.名前,筆者.年齢
FROM アニメ
JOIN 筆者 ON アニメ.筆者ID = 筆者.ID
Eager Loading
Eager LoadingはORMの文脈で使用され，アプリケーションコード内でのデータ取得方法です．Eager Loadingの利点は，関連するデータを事前にまとめて取得する手法です．これにより，データベースへのアクセス回数を大幅に削減して，システムのレスポンス時間を短縮します．
pythonのフレームワークとしてよく利用されているsqlalchemyでは，joinedloadを使用して，アニメテーブルをクエリする際に，関連する筆者情報を事前にロード（Eager Loading）します．これによって，各「アニメ」に対して個別に「筆者」をロードする必要がなくなり，N+1問題を回避できます．
from sqlalchemy.orm import sessionmaker, joinedload
# データベースエンジンを設定（ここではSQLiteメモリ内データベースを使用）
engine = create_engine('sqlite:///:memory:', echo=True)
Base.metadata.create_all(engine)
# セッションを作成
Session = sessionmaker(bind=engine)
session = Session()
# Eager Loadingを使って、Bookとそれに関連するUser情報をロード
animes_with_users = session.query(Anime).options(joinedload(Anime.user)).all()
for anime in animes_with_users:
print(f"Anime: {anime.title}, Borrowed by: {anime.user.name}")
最後に
最後まで読んでいただきありがとうございました．
N+1問題を解決する手段として，生のSQLを利用する場合はJOIN句，ORMを利用する際にはEager loadを利用することがよいでしょう．