【人工智慧雲端系統實務】 05. Django Models 解析與應用

在 Django 框架中，Model 是用來表示資料庫資料的 Python 類別，透過 ORM（物件關聯對應）技術，讓開發者可以用 Python 語法操作資料表。每個 Model 對應一張資料表，類別屬性對應欄位，欄位可設定型別與限制，如 CharField、IntegerField、max_length、null 等。Django 支援資料表之間的關聯，例如一對多（ForeignKey）、一對一（OneToOneField）、多對多（ManyToManyField），讓資料關聯清晰易懂。開發者可以透過 ORM 提供的 API 來新增、查詢、更新、刪除資料，無需寫 SQL。當模型變更時，Django 提供 Migrations 機制來同步資料庫結構。Models 也可以自定義方法、屬性，或透過 Meta 類別設定排序與表名等細節。只要註冊 Model 到 Django 管理後台，就能快速產生完整的資料管理介面。綜合上述，Django 的 Model 系統以簡潔、可讀性高且功能強大的設計，提供開發者一套有效率且穩定的資料庫操作方式。

1. 你建立的第一個 Model

以下程式碼是在 02.Django 4 快速搭建網站文章中建立一個資料表的程式碼：

class Post(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    slug = models.CharField(max_length=200)
    body = models.TextField()
    pub_date = models.DateTimeField(default=timezone.now)

對應語法說明：

class <資料表名稱>(models.Model):
    <欄位名稱> = models.<欄位格式>(欄位選項1=值 , 欄位選項1=值)
    # ...

2. 欄位型態與屬性設定

2.1 常見欄位型態

欄位格式	參數	說明
BigIntegerField		64位元之大整數
BooleanField		布林值，只有True/False兩種
CharField	max_length：指定可接受之字串長度	用來儲存較短資料的字串，通常使用於單行的文字資料
DateField	auto_now：每次物件被儲存時即自動加入目前日期 auto_now_add：只有在物件被建立時才加入目前日期	日期格式，可用於datetime.date
DateTimeField	同上	日期時間格式，對應到datetime.datetime
DecimalField	max_digits：可接受的最大位數 decimal_places：在所有的位數中，小數佔幾個位數	定點小數數值資料，適用於Python的Decimal模組之實例
FloatField		浮點數欄位
IntegerField		整數欄位，是通用性最高的整數格式
PostiveIntegerField		正整數欄位
SlugField	max_length：最大字元長度	和CharField是一樣的，通常用來當做是網址的一部份
TextField		長文字格式，一般是用在HTML表單中的Textarea輸入項目
URLField	max_length：最大字元長度	和CharField是一樣的，特別用來記錄完整的URL網址
DecimalField		64位元之大整數

其他詳細欄位說明請參考官方文件

2.2 常見欄位選項

欄位格式	說明
null	此欄位是否接受儲存空值NULL，預設值是False
blank	此欄位是否接受儲存空白內容，預設值是False
choices	以選項的方式（只有固定內容的資料可以選用）當做是此欄位的侯選值
default	輸入此欄位的預設值
help_text	欄位的提示訊息
primary_key	把此欄位設定為資料表中的主鍵KEY，預設值為False

其他詳細欄位選項說明請參考官方文件

2.3 範例

from django.db import models

class Product(models.Model):
    CATEGORY_CHOICES = [
        ('ELEC', 'Electronics'),
        ('BOOK', 'Books'),
        ('CLTH', 'Clothing'),
        ('HOME', 'Home & Kitchen'),
    ]

    product_id = models.CharField(
        max_length=20,
        primary_key=True,
        help_text="唯一產品編號，例如 PROD001"
    )
    name = models.CharField(
        max_length=100,
        help_text="產品名稱"
    )
    category = models.CharField(
        max_length=4,
        choices=CATEGORY_CHOICES,
        default='ELEC',
        help_text="選擇產品類別"
    )
    description = models.TextField(
        blank=True,
        null=True,
        help_text="產品描述（可選填）"
    )
    price = models.DecimalField(
        max_digits=10,
        decimal_places=2,
        default=0.00,
        help_text="產品價格"
    )
    available = models.BooleanField(
        default=True,
        help_text="是否有庫存"
    )

    def __str__(self):
        return f"{self.name} ({self.product_id})"

3. 建立與套用資料遷移（Migrations）

使用 Django 框架進行開發，當您新增或是修改模型後，必須透過「資料遷移 (Migrations)」，將資料庫中的資料表進行同步。

3.1 建立遷移檔案 (makemigrations)

1	python manage.py makemigrations

上面這一則指令，會根據所有 APP 底下 models.py 的更動，自動建立一個遷移檔案，紀錄哪些資料標的結構變化。執行成功後會出現類似以下訊息：

1
2
3

Migrations for 'myapp':
  myapp/migrations/0001_initial.py
    - Create model Book

3.2 套用遷移檔案至資料庫 (migrate)

透過以下指令，將遷移的內容進行資料庫對應資料表的修改與變更。

1	python manage.py migrate

執行完成後會得到類似下面的提示訊息：

Operations to perform:
  Apply all migrations: admin, auth, contenttypes, myapp, sessions
Running migrations:
  Applying myapp.0001_initial... OK

3.3 其他 Migrateions 相關指令

查看目前遷移狀態：

1	python manage.py showmigrations

指令特定的 APP 進行遷移：

1	python manage.py makemigration <app:name>

4. 使用 Django Shell 操作 Models

Djagno 提供互動式 Python 命令列介面 (Django Shell)，可以直接透過 Django Models 進行存取資料庫的資料，進行新增、查詢、更新及刪除 (Create, Read, Update, Delete; CRUD) 操作，適合用來測試與偵錯。

4.1 進入 Django Shell

透過以下指令，進入互動式命令介面：

1	python manage.py shell

當終端機看到 Python 的互動式提示符號 (>>>) 即可開始進行操作。

4.2 載入需要操作的模型

假設 posts/models.py 存在 Post 的模型，透過 Python import 語法，將其匯入至互動式介面：

1	from posts.models import Post

4.3 新增資料 (Create)

透過 create() 方法新增一筆資料:

article = Post.objects.create(
    title='Django 教學',
    slug='django-course',
    content='Test for content ...',
)

或者先建立實體再透過 save() 進行存入資料庫：

article = Post(
    title='Django Models 教學',
    slug='django-course-models',
    content='Test for content ...',
)
article.save()

create() 與 save() 方式都可以使用，取決於使用的時機。

4.4 查詢(讀取)資料 (Read)

查詢所有資料：

1	Post.objects.all()

查詢特定條件 (filter):

1	Post.objects.filter(content="Test for content ...")

查詢單一紀錄 (get):

1	Post.objects.get(slug="django-course-models")

如果 get() 查詢到多筆或找不到資料時會拋出 error，建議使用 try/expect處理。

欄位排序:

1	Post.objects.order_by('-pub_date')

模糊查詢:

1 2	Post.objects.filter(content__icontains="django") Post.objects.filter(slug__startswith="D")

4.5 更新資料 (Update)

1
2
3

article = Post.objects.get(id=1)
article.title = "Django 入門完全指南"
book.save()

批次更新

1	Post.objects.filter(content__icontains="django").update(title="Django 入門指南書")

4.6 刪除資料 (Delete)

1 2	article = Post.objects.get(id=1) article.delete()

批次刪除：

1	Post.objects.filter(content__icontains="django").delete()

4.7 其他常用的查詢處理

計算資料筆數：

1	Post.objects.count()

檢查資料是否存在：

1	Post.objects.filter(title="Django 教學").exists()

取得弟一筆資料：

1	Post.objects.first()

取得最新一筆資料（需 ordering）：

1	Book.objects.latest('published_date')

5. 建立關聯模型（Relationships）

在 Django 中，模型之間常常需要建立關聯，以呈現資料之間的邏輯與結構關係。舉例來說，一個使用者可能撰寫多篇文章，而每篇文章則對應到一位作者，這種關聯關係在資料庫設計中非常常見。為了方便在程式中表示與操作這些關係，Django 提供了三種主要的關聯欄位類型，分別是 ForeignKey（一對多）、OneToOneField（一對一）以及 ManyToManyField（多對多），讓開發者能夠清楚且有效率地定義資料模型之間的關聯性。

5.1 `ForeignKey` (一對多)

表示「多個紀錄」對應到「一個紀錄」。例如：多篇文章（Article）屬於同一位作者（Author）。

class Author(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    content = models.TextField()
    author = models.ForeignKey(Author, on_delete=models.CASCADE)

ForeignKey() 的第一個參數表示關聯的資料表，第二個參數表示級聯 (CASCADE)，當被參照的資料被刪除時，參照資料也會一併刪除。使用案例：

1 2	author = Author.objects.get(id=1) articles = author.article_set.all() # 預設反查

其中 article_set 為反查關聯的模型 (小寫模型名稱 + _set)。

5.2 OneToOneField (一對一)

表示兩個模型之間為一對一關係，例如一個使用者對應一份個人資料（Profile）。

class User(models.Model):
    username = models.CharField(max_length=100)

class Profile(models.Model):
    user = models.OneToOneField(User, on_delete=models.CASCADE)
    bio = models.TextField()

1 2	user = User.objects.get(id=1) profile = user.profile # 反查 profile

5.3 ManyToManyField (多對多)

表示多個物件彼此互相關聯，例如：學生選課，學生與課程之間是多對多關係。

class Student(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)

class Course(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)
    students = models.ManyToManyField(Student, related_name="courses")

# 取得某學生的所有課程
student = Student.objects.get(id=1)
student_courses = student.courses.all()

# 取得某課程的所有學生
course = Course.objects.get(id=1)
course_students = course.students.all()

5.4 使用 `related_name` 逆向查詢

related_name 讓我們能更直覺地從關聯模型反向查詢。
範例（多對多）：

class Tag(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=50)

class Post(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=100)
    tags = models.ManyToManyField(Tag, related_name="posts")

1 2	tag = Tag.objects.get(name="Django") related_posts = tag.posts.all() # 使用 related_name

5.5 關聯查詢語法範例（ORM 實作）

5.5.1 正向查詢

1
2
3

# 取得某篇文章的作者名字
article = Article.objects.get(id=1)
author_name = article.author.name

5.5.2 反向查詢

1
2
3

# 取得某位作者的所有文章
author = Author.objects.get(id=1)
articles = author.article_set.all()  # 若有指定 related_name，則使用 related_name

5.5.3 篩選關聯資料

1 2	# 查詢某作者的所有文章（用 filter） Article.objects.filter(author__name="王小明")

5.5.4 多層關聯查詢

1 2	# 查詢某課程的所有學生的名字 Course.objects.get(id=1).students.values_list('name', flat=True)

1 2	# 查詢有標籤「Python」的所有文章 Post.objects.filter(tags__name="Python")

6. `Meta` 類別與自定義 Model 行為

在 Django 的模型中，可以透過 Meta 類別來定義一些模型的元資料（metadata），例如排序方式、資料表名稱、權限設定等。此外，我們也可以透過撰寫自定義方法來擴充模型的行為，例如 __str__() 方法顯示易讀的物件名稱，或加入自定義的查詢方法以提高開發效率。

6.1 `Meta` 類別自定義模型: 排序 (`ordering`)

透過 ordering 屬性可以設定模型查詢結果的預設排序方式。

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    published_date = models.DateTimeField()

    class Meta:
        ordering = ['-published_date']  # 預設以發佈日期遞減排序

這樣當我們使用 Article.objects.all() 時，資料會依照發佈日期從新到舊排序。

6.2 `Meta` 類別自定義模型: 資料表名稱 (`db_table`)

Django 預設會根據模型名稱自動建立資料表名，例如模型 Article 對應的資料表為 appname_article。你可以使用 db_table 自定義資料表名稱：

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)

    class Meta:
        db_table = 'my_articles'  # 自訂資料表名稱

6.3 `Meta` 類別自定義模型: 權限 (`permissions`)

可以在 Meta 中自定義額外的權限，例如給特定角色額外操作的能力：

class Report(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)

    class Meta:
        permissions = [
            ("can_approve", "Can approve reports"),
            ("can_reject", "Can reject reports"),
        ]

這些權限會在 auth_permission 表中建立，可以搭配 Django 的權限系統使用（如 admin 介面或 @permission_required 裝飾器）。

6.4 自定義模型方法: `str()`

定義物件在顯示（例如 admin 後台、印出物件）時的字串表達方式，提高可讀性：

class Author(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)

    def __str__(self):
        return f"Author: {self.name}"

在 admin 中或使用 print(author) 時，會顯示 Author: 張大明 而非 <Author object>。

6.5 自定義查詢方法

你可以在模型中定義常用的查詢邏輯，提高重用性與可讀性。例如：

class Product(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)
    price = models.DecimalField(max_digits=8, decimal_places=2)
    is_active = models.BooleanField(default=True)

    def is_expensive(self):
        return self.price > 1000

或者你也可以透過 Manager 自定義查詢集（更進階的用法）：

class ActiveProductManager(models.Manager):
    def get_queryset(self):
        return super().get_queryset().filter(is_active=True)

class Product(models.Model):
    name = models.CharField(max_length=100)
    is_active = models.BooleanField(default=True)

    objects = models.Manager()           # 預設管理器
    active = ActiveProductManager()     # 自訂管理器

# 使用自訂查詢
Product.active.all()

7. 整合 Django Admin 後台

Django 提供功能強大且即時可用的管理後台（Admin site），讓我們能快速檢視與操作資料庫中的資料。透過簡單的設定，就能將自訂模型整合進後台，並根據實際需求調整後台介面的顯示方式與操作便利性。

7.1 在 `admin.py` 中註冊模型（Model）

若要讓模型顯示在 Django Admin 後台中，需在對應的 app 資料夾內的 admin.py 檔案中註冊該模型。

# blog/admin.py

from django.contrib import admin
from .models import Article

admin.site.register(Article)

這樣一來，Article 模型就會出現在後台的操作介面中，預設提供新增、修改、刪除與列表功能。

7.2 自定義後台顯示樣式

為了讓資料管理更清晰與便利，我們可以透過自定義 ModelAdmin 類別的方式，客製化後台資料列表的顯示與搜尋行為。

7.2.1 `list_display`：自訂列表顯示欄位

設定在模型列表頁中要顯示哪些欄位。

1 2	class ArticleAdmin(admin.ModelAdmin): list_display = ('title', 'author', 'published_date', 'is_published')

7.2.2 `search_fields`：啟用關鍵字搜尋功能

讓管理員可以在後台透過關鍵字搜尋特定欄位內容。

1 2	class ArticleAdmin(admin.ModelAdmin): search_fields = ('title', 'content', 'author__name')

支援外鍵欄位（使用 __ 連結關聯欄位）。

7.2.3 `list_filter`：側邊欄篩選器

可以根據特定欄位篩選資料，例如日期、狀態、分類等。

1 2	class ArticleAdmin(admin.ModelAdmin): list_filter = ('published_date', 'is_published', 'author')

在後台列表頁左側會出現篩選選單，方便快速縮小資料範圍。

8. 進階技巧與實務應用

隨著 Django 專案越來越複雜，我們可以運用進階技巧讓程式更具可讀性、可維護性與彈性。以下介紹幾個常見的實務應用技巧，包括自定查詢邏輯、模型繼承、訊號機制、欄位優化與特殊欄位使用等。

8.1 使用 `Managers` 自定義查詢邏輯

在模型中可以透過自定義 Manager 來封裝複雜或常用的查詢邏輯。
範例：

class PublishedArticleManager(models.Manager):
    def get_queryset(self):
        return super().get_queryset().filter(is_published=True)

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    is_published = models.BooleanField(default=False)

    objects = models.Manager()  # 預設 Manager
    published = PublishedArticleManager()  # 自定 Manager

使用方式：

1	Article.published.all() # 只會回傳已發佈的文章

8.2 Model 繼承與抽象類別（Abstract Base Classes）

Django 支援模型繼承，可以建立一個「抽象基底模型」來共用欄位與邏輯，減少重複程式碼。
範例：

class TimestampedModel(models.Model):
    created_at = models.DateTimeField(auto_now_add=True)
    updated_at = models.DateTimeField(auto_now=True)

    class Meta:
        abstract = True  # 不會建立對應資料表

class Article(TimestampedModel):
    title = models.CharField(max_length=200)

這樣 Article 會自動繼承 created_at 和 updated_at 欄位，但不會建立 TimestampedModel 的資料表。

8.3 模型訊號（Model Signals）

Django 提供一組訊號機制（signals），允許我們在模型執行某些動作前後執行自訂邏輯。
常見訊號：

pre_save：儲存前
post_save：儲存後
pre_delete / post_delete

範例:

from django.db.models.signals import post_save
from django.dispatch import receiver

@receiver(post_save, sender=Article)
def notify_author(sender, instance, created, **kwargs):
    if created:
        print(f"新文章已建立：{instance.title}")

這種方式可以用來做自動通知、紀錄日誌、建立關聯資料等用途。

8.4 善用 `choices` 設定列舉型欄位

當欄位只有固定選項時（例如文章狀態、性別、等級），可以使用 choices 增加資料一致性與後台清晰度。
範例:

class Article(models.Model):
    DRAFT = 'D'
    PUBLISHED = 'P'
    ARCHIVED = 'A'

    STATUS_CHOICES = [
        (DRAFT, '草稿'),
        (PUBLISHED, '已發佈'),
        (ARCHIVED, '封存'),
    ]

    title = models.CharField(max_length=200)
    status = models.CharField(max_length=1, choices=STATUS_CHOICES, default=DRAFT)

在 admin 後台與表單中會自動顯示對應的中文標籤，增加可讀性。

8.5 使用進階欄位型別

Django 提供多種進階欄位型別，方便處理特殊需求資料：

8.5.1 `UUIDField`：使用 UUID 作為主鍵或識別碼（更安全

import uuid

class APIKey(models.Model):
    id = models.UUIDField(primary_key=True, default=uuid.uuid4, editable=False)

8.5.2 `SlugField`：可讀性佳的網址段落（適合用於 SEO）

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2
3

class Article(models.Model):
    title = models.CharField(max_length=200)
    slug = models.SlugField(unique=True)

可以搭配 pre_save 或 slugify() 自動產生。

8.5.3 `ImageField`：處理圖片上傳

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class Profile(models.Model):
    user = models.OneToOneField(User, on_delete=models.CASCADE)
    avatar = models.ImageField(upload_to='avatars/')

需要搭配 Pillow 套件安裝 pip install Pillow。