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1. FastAPI依赖注入性能优化详解

1.1 依赖注入基础概念

依赖注入（Dependency Injection）是FastAPI框架的核心机制之一，类似于餐厅点餐系统：当顾客（请求）需要特定菜品（依赖项）时，系统（框架）会自动准备所需食材（依赖实例）并完成烹饪（依赖解析）。这种机制将对象的创建和使用分离，提高了代码的可测试性和可维护性。

示例代码演示基础用法：

from fastapi import Depends, FastAPI

app = FastAPI()

# 基础依赖项
def query_validator(q: str = None):
    return {"q": q} if q else None

@app.get("/items/")
async def read_items(validated: dict = Depends(query_validator)):
    return {"result": validated or "no query"}

1.2 性能优化核心策略

1.2.1 同步与异步依赖

FastAPI支持同步和异步两种依赖模式。异步依赖在I/O密集型场景下可显著提升性能，但需注意不要混用两种模式。

import asyncio
from fastapi import Depends

# 同步依赖（适合CPU密集型操作）
def sync_dep():
    return sum(range(1000000))

# 异步依赖（适合I/O操作）
async def async_dep():
    await asyncio.sleep(0.1)
    return "async_data"

@app.get("/demo")
async def demo_endpoint(
    sync_data: int = Depends(sync_dep),
    async_data: str = Depends(async_dep)
):
    return {"sync": sync_data, "async": async_data}

1.2.2 依赖实例缓存

使用lru_cache缓存依赖计算结果，适用于初始化成本高的依赖项：

from functools import lru_cache

@lru_cache(maxsize=32)
def heavy_calculation(seed: int):
    print("Performing heavy computation...")
    return seed * 123456789 % 54321

@app.get("/compute/{seed}")
async def compute_result(
    value: int = Depends(heavy_calculation)
):
    return {"result": value}

1.2.3 单例模式应用

数据库连接等重量级资源推荐使用单例模式：

from sqlalchemy.ext.asyncio import create_async_engine, AsyncSession

class Database:
    _engine = None
    
    @classmethod
    def get_engine(cls):
        if not cls._engine:
            cls._engine = create_async_engine(
                "postgresql+asyncpg://user:pass@localhost/db"
            )
            print("New engine created")
        return cls._engine

@app.get("/data")
async def get_data(
    engine: AsyncSession = Depends(Database.get_engine)
):
    async with engine.connect() as conn:
        # 执行数据库操作
        return {"status": "connected"}

1.3 实战优化案例

用户认证系统优化方案：

from fastapi.security import OAuth2PasswordBearer
from jose import JWTError, jwt
from functools import lru_cache

oauth2_scheme = OAuth2PasswordBearer(tokenUrl="token")

@lru_cache(maxsize=1000)
def decode_jwt(token: str = Depends(oauth2_scheme)):
    try:
        return jwt.decode(token, "SECRET_KEY", algorithms=["HS256"])
    except JWTError:
        return None

@app.get("/user/me")
async def read_current_user(
    payload: dict = Depends(decode_jwt)
):
    return {"user": payload.get("sub")}

2. 课后Quiz

2.1 问题一

当某个依赖项需要读取配置文件时，应该如何设计才能避免重复IO操作？

A) 每次请求都重新读取文件
B) 使用lru_cache缓存配置读取函数
C) 将配置写在代码里
D) 使用全局变量存储配置

点击查看答案

正确答案：B 解析：使用@lru_cache装饰器可以缓存函数返回值，确保配置文件只在首次请求时读取。需要注意当配置文件修改时需要重启应用或设置合理的缓存策略。

2.2 问题二

以下哪种场景最适合使用异步依赖？

A) 计算MD5哈希值
B) 读取本地配置文件
C) 调用外部API接口
D) 进行矩阵乘法运算

点击查看答案

正确答案：C 解析：异步依赖最适合存在I/O等待的操作，如网络请求、数据库查询等。CPU密集型任务反而会降低异步性能。

3. 常见报错处理

3.1 422 Validation Error

错误示例：

{
    "detail": [
        {
            "loc": ["query", "q"],
            "msg": "field required",
            "type": "value_error.missing"
        }
    ]
}

解决方案：

检查请求参数是否符合接口定义
验证依赖项的参数类型声明
使用Pydantic模型进行严格数据验证

3.2 依赖项初始化失败

错误日志：
RuntimeError: Dependency error while processing request

排查步骤：

检查依赖项函数的参数是否正确
验证依赖项返回值的类型是否符合接收方预期
确保异步依赖使用async/await语法
检查依赖项内部是否有未处理的异常

预防建议：

为所有依赖项编写单元测试
使用类型注解提升代码可靠性
在依赖项内部添加详细的日志记录

4. 开发环境配置

推荐环境：

python -m pip install fastapi==0.68.0 
pip install uvicorn==0.15.0
pip install python-jose[cryptography]==3.3.0
pip install sqlalchemy==1.4.22

启动命令：

1	uvicorn main:app --reload --workers 4

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