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# 38 | 分页的那些事儿
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你好，我是四火。
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分页是全栈开发中非常常见的一个功能，绝大多数网站都需要用到。这个功能可谓麻雀虽小五脏俱全，是从呈现层、控制器层、到模型层，并和数据存储密切相关的真正的“全栈”功能。有时候你能见到一些清晰、明确的分页，也就是说，你能看到某一个内容的呈现被分成若干页，而当前又是在第几页；而有时候这个功能则是部分模糊了的，比方说，能翻页，但是并不显示总共有多少页。那今天，就让我们来了解一些典型的分页方法，理解分页的一些常见问题和它们的解决方式。
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## 物理分页和逻辑分页
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物理分页一般指的就是数据库分页，而逻辑分页则是程序员口中的“内存分页”。前者是通过条件查询的方式，从数据库中取出特定的数据段来，而后者，则是在完整数据都加载在内存中的情况下，从中取出特定段的数据来。
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显然我们一般情况下更关注物理分页，因为内存的大小总是更为有限，多数情况下我们希望通过条件查询的方式去数据库中取出特定页来。但是也有反例，比方说某些数据量不大，但是访问频率较高的数据，以“缓存”的形式预加载到内存中，再根据客户端的分页条件返回数据，这种方式一样可以遵循分页接口，但是由于被分页的数据是全部在内存中的，这样的数据一般需要遵循如下几个要求：
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* 数据量不大，可以放在内存中；
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* 一致性满足要求，或者使用专门的设计维护内存中数据的一致性；
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* 持久性方面，数据允许丢失，因为在内存中，断电即丢失。
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## 分页代码设计
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分页这个事儿从功能抽象的角度看基本不复杂，但是我们也经常能看到不同的实现。比较常见的有两种，指定页码的分页，以及使用 token 的分页，当然，严格来说，页码其实是 token 的一种特殊形式。就以指定页码的分页为例，在实际代码层面上，我见到的分页代码设计包括这样两种。
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### 单独的分页工具类
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**第一种是彻底把 DAO 的查询逻辑拿出去，创建一个单独的分页工具类 Paginator。**这个工具的实例对象只负责分页状态的存储和变更，不知道也不管理数据，在实例化的时候需要 totalCount 和 pageSize 两个参数，前者表示总共有多少条数据，后者表示每一页最多显示多少条。
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DAO 的查询接口自己去创建或者接纳一个 Paginatior 对象，其实现会调用对象的 getStart() 和 getEnd() 方法，从而知道查询时数据的范围。请看这个 Paginatior 的例子，我把方法内的具体实现省略了：
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class Paginatior {
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public Paginatior(int totalCount, int pageSize) {}
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// 翻页
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public void turnToNextPage() {}
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public void turnToPrevPage() {}
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public void setPageNo(int pageNo) {}
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// 数据访问层需要的 start 和 end
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public int getStart() {}
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public int getEnd() {}
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// 是否还有上一页、下一页
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public boolean hasNextPage() {}
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public boolean hasPrevPage() {}
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// 当前在哪一页
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public int getPageNo() {}
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}
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### 绑定查询结果的分页对象
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**第二种则将分页对象和查询数据的结果集绑定在一起，有的是将结果集对象继承自一个分页类，有的则是将结果集对象以组合的方式放到分页对象里面，数据访问层直接返回这个携带实际数据的分页对象。**从优先使用组合而不是继承的角度来说，组合的方式通常更好一些。
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具体说，我们可以定义这样的分页对象：
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public class Page<T> {
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private int pageNo;
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private int totalCount;
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private int pageSize;
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private Collection<T> data; // 当前页的实际业务对象
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public Page(Collection<T> data, int pageSize, int pageNo, int totalCount) {
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this.data = data;
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this.pageSize = pageSize;
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this.pageNo = pageNo;
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this.totalCount = totalCount;
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}
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public int getPageSize() {}
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public int getPageNo() {}
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public int getTotalPages() {}
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public int getLastPageNo() {}
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public Collection<T> getData() {}
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}
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你看，这个分页对象和前面的那个例子不同，它将 DAO（数据访问对象，在 [\[第 12 讲\]](https://time.geekbang.org/column/article/143909) 有介绍）的某次查询的结果，也就是某一页上的数据集合，给包装起来了。因此这个对象是由 DAO 返回的，并且里面的数据仅仅是特定某一页的，这也是它没有提供用于翻页的方法的原因——具体要访问哪一页的数据，需要将页码和页面大小这样的信息传给 DAO 去处理。
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### 其它方法
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比如说，如果按照充血模型的方式来设计（关于充血模型是什么，以及代码实现的例子，你可以参见 [\[第 08 讲\]](https://time.geekbang.org/column/article/141679)），则可以**把这个 Page 对象和 DAO 的代码整合起来，放到同一个有状态的业务对象上面去，这样这个对象既携带了业务数据，又携带了分页信息。**当然，这个方法的区别其实只是贫血模型和充血模型的区别，从分页设计的角度上来看，和上面的第二种其实没有本质区别。
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此外，一些“管得宽”的持久层 ORM 框架，往往也把分页的事情给包装了，给开发人员开放易于使用的分页接口。比方说 Hibernate，你看这样一个例子：
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session
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.createCriteria(Example.class)
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.setFirstResult(10)
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.setMaxResults(5)
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.list();
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```
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这就是通过 Hibernate 的 Criteria Query API 来实现的，代码也很易于理解。当然，如果想要取得总行数，那可以用 Projection：
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```
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session
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.createCriteria(Example.class)
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.setProjection(Projections.rowCount())
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.list()
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.get(0);
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```
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## SQL 实现
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如果使用关系数据库，那么落实到 SQL 上，以 MySQL 为例，大致是这样的：
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select * from TABLE_NAME limit 3, 4;
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limit 后面有两个参数，第一个表示从下标为 3 的行开始返回，第二个表示一共最多返回 4 行数据。
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但是，如果使用的是 Oracle 数据库，很多朋友都知道可以使用行号 rownum，可是这里面有一个小坑——Oracle 给 rownum 赋值发生在当条子句的主干执行完毕后，比如说：
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select * from TABLE_NAME where rownum between 2 and 4;
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```
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如果表里面有 100 行数据，那么你觉得上面那条 SQL 会返回什么？
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返回 2 行到第 4 行的数据吗？不对，它什么都不会返回。
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这是为什么呢？因为对每一行数据，执行完毕以后才判断它的 rownum，于是：
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* 第一行执行后的 rownum 就是 1，而因为不符合“2 到 4”的条件，因此该行遍历后，就从结果集中抛弃了；
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* 于是执行第二行，由于前面那行被抛弃了，那这一行是新的一行，因此它的 rownum 还是 1，显然还是不符合条件，抛弃；
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* 每一行都这样操作，结果就是，所有行都被抛弃，因此什么数据都没有返回。
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解决方法也不难，用一个嵌套就好，让里面那层返回从第 1 条到第 4 条数据，并给 rownum 赋一个新的变量名 r，外面那层再过滤，取得 r 大于等于 3 的数据：
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select * from (select e.*, rownum r from TABLE_NAME e where rownum<=4) where r>=3;
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## 重复数据的问题
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下面我们再看一个分页的常见问题——不同页之间的重复数据。
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这个问题指的是，某一条数据，在查询某一个接口第一页的时候，就返回了；可是查询第二页的时候，又返回了。
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我来举个例子：
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```
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select NAME, DESC from PRODUCTS order by COUNT desc limit 0, 50;
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这个查询是要根据产品的数量倒序排序，然后列出第一页（前 50 条）来。
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接着查询第二页：
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```
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select NAME, DESC from PRODUCTS order by COUNT desc limit 50, 50;
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结果发现有某一个产品数据，同时出现在第一页和第二页上。按理说，这是不应当发生的，这条数据要么在第一页，要么在第二页，怎么能同时在第一页和第二页上呢？
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其实，这只是问题现象，而其中的原因是不确定的，比如说有这样两种可能。
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### 排序不稳定
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第一种是因为查询的结果排序不稳定。
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说到这个“不稳定”，其实本质上就是排序算法的“不稳定”。如果对算法中的排序算法比较熟悉的话，你应该知道，**我们说排序算法稳不稳定，说的是当两个元素对排序来说“相等”的时候，是不是能够维持次序和排序前一样。**比如有这样一组数：
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1, 2a, 5, 2b, 3
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这里面有两个 2，但是为了区分，其中一个叫作 2a，另一个叫作 2b。现在 2a 在 2b 前面，如果排序以后，2a 还是能够保证排在 2b 前面，那么这个排序就是稳定的，反之则是不稳定的。有很多排序是稳定的，比如冒泡排序、插入排序，还有归并排序；但也有很多是不稳定的，比如希尔排序、快排和堆排序。
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再回到我们的问题上，分页查询是根据 COUNT 来排序的，如果多条数据，它们的 COUNT 一样，而在某些数据库（包括某些特定版本）下，查询的排序是不稳定的。这样就可能出现，这个相同 COUNT 的产品记录，在结果集中出现的顺序不一致的问题，那也就可能出现某条记录在第一页的查询中出现过了，而在第二页的查询中又出现了一遍。
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其实，从数据库的角度来说，在我们根据上述代码要求数据库返回数据的时候，COUNT 相同的情况下，可并没有要求数据库一定要严格遵循某一个顺序啊，因此严格说起来，数据库这么做本身也是没有什么不对的。
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无论如何，问题如果明确是这一个，那么解决方法就比较清楚了。既然问题只会在 COUNT 相同的时候出现，那么上例中，我们给 order by 增加一个次要条件——ID，而因为 ID 是表的主键，不可能出现重复，因此在 COUNT 相同的时候排序一定是严格按照 ID 来递减的，这样也就可以保证排序不会因为“不稳定”而造成问题：
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select NAME, DESC from PRODUCTS order by COUNT, ID desc limit 0, 50;
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### 数据本身变化
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第二个造成重复数据问题的原因是数据本身的变化。
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这个也不难理解，比如还是上面这行 SQL：
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```
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select NAME, DESC from PRODUCTS order by COUNT, ID desc limit 0, 50;
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本来有一行数据是在第二页的开头，用户在上述查询执行后，这行数据突然发生了变化，COUNT 增加了不少，于是挤到第一页去了，那么相应地，第一页的最后一条数据就被挤到第二页了，于是这时候用户再来查询第二页的数据：
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```
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select NAME, DESC from PRODUCTS order by COUNT, ID desc limit 50, 50;
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这就发现原来第一页尾部的一条数据，又出现在了第二页的开头。
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对于这个问题，我们也来看看有哪些解决方案。但是在看解决方案之前，我们先要明确，这是不是一个非得解决的问题。换言之，如果产品经理和程序员都觉得重复数据并不是什么大不了的事情，这个问题就可以放一放，我们不需要去解决那些“可以不是问题”（或者说优先极低）的问题。我知道很多人觉得这个太过浅显，甚至不值得讨论，但毕竟这是一个很基本的原则，做技术的我们在面对问题的时候始终需要明确，而不是一头扎进解决问题的泥塘里出不来了。
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至于解决方案，比较常见的包括这样几个。
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**1\. 结果过滤**
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如果我们认定两次查询的结果中，可能出现重复，但是考虑到数据变更的速度是比较慢的，顺序的变化也是缓慢的，因此这个重复数据即便有，也会很少。那么，第二页展示的时候，我们把结果中第一页曾经出现过的这些个别的数据给干掉，这样就规避了数据重复的问题。
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这大概是最简单的一种处理方式，但是其不足也是很明显的：
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* 说是“个别数据”，可到底有多少重复，这终究存在不可预测性，极端情况下第二页的数据可能会出现大量和第一页重复的情况，删除这些重复数据会导致第二页数据量特别少，从而引发糟糕的用户体验；
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* 数据丢失问题：既然第二页上出现第一页的重复，那就意味着存在某数据在用户查询第一页的时候它待在第二页，而用户查询第二页的时候又跑到第一页上去了，这样的数据最终没有返回给用户；
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* 有第一页、第二页，那就还有第三页、第四页的问题，比如第一页的数据可能跟第四页重复啊，如果我们把这些因素都考虑进去，这个方案就没有那么“简单”了。
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**2\. 独立的排序版本**
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这个方法原理上也很简单，对于任何排序，都维持一个版本号。这样，在数据产生变化的时候，这个新的排序，需要采用一个不同的版本号。本质上，这就是把每次排序都单独拿出来维护，每一个排序都有一份独立的拷贝。
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这种方法适合这个排序变更不太频繁的情况，因为它的缺点很明显，就是要给每一份排序单独存放一份完整的拷贝。但是，它的优点也很明显，就是在多次查询的过程中，这个列表是静态的，不会改变的，不需要担心数据重复和丢失的问题。特别是对于开放的 Web API 来说，我们经常需要用一个循环多次查询才能获取全量的数据，这个机制就很有用了。
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**3\. 数据队列**
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在某些场景下，我们如果能保证数据的顺序不变，而添加的数据总在显示列表的一头，也就是说，把原本的数据集合变成一个队列，这样要解决重复数据问题的时候，就会有比较好的解决办法了。
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**每次查询的时候，都记住了当前页最后一条记录的位置（比如我们可以使用自增长的 ID，或是使用数据添加时的 timestamp 来作为它“位置”的标记），而下一页，就从该记录开始继续往后查找就好了。**这样无论是否有新添加的数据，后面页数的切换，使用的都是相对位置，也就不会出现数据重复的问题了。看下面的例子：
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你看，用户刚访问的时候，返回了 data 150 到 data 199 这 50 条记录，并且记住了当前页尾的位置。用户再访问第二页的时候，其实已经有新的元素 data 200 加进来了，但是不管它，我们根据前一页的页尾的位置找到了第二页开头的位置，返回 data 100 到 data 149 这 50 条记录。
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当然，只有一种例外，即只有用户访问第一页的时候（或者说，是用户的查询传入的“位置”参数为空的时候），才始终查询并返回最新的第一页数据。比如现在 data 200 已经添加进来了，查询第一页的时候就返回 data 151 到 data 200 这最新的 50 条数据：
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上述这种方式其实也挺常见的，特别像是新闻类网站（还有一些 SNS 网站），基本上一个栏目下新闻的发布都可以遵循这个队列的规则，即新发布的新闻总是可以放在最开始的位置，发布以后的新闻相对位置不发生改变。还有就是许多 NoSQL 数据库用于查询特定页的 token，都是利用了这个机制。
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## 总结思考
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今天我们一起学习了分页的前前后后，既包括设计、实现，也包括对分页常见的重复数据的问题的分析，希望今天的内容能让你有所收获。
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老规矩，我来提两个问题吧：
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* 对于文中介绍的工具类 Paginatior，我把方法签名写出来了，你能把这个类实现完整吗？
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* 对于“分页代码设计”一节中介绍的两种分页对象的设计方法，它们各有优劣，你能比较一下吗？
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好，今天就到这里，欢迎你在留言区和我讨论。
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## 扩展阅读
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* 对于 Hibernate 分页查询用到的条件查询 API，你可以阅读[这篇文章](https://howtodoinjava.com/hibernate/hibernate-criteria-queries-tutorial/#paging)，看到更多的例子；而对于通过 Projection 来取得总行数的代码，[这里](https://examples.javacodegeeks.com/enterprise-java/hibernate/count-total-records-in-hibernate-with-projections/)有完整例子。
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* 本讲一开始的时候我提到，分页的设计上，有的是使用指定页码的，也是本讲的重点；还有一种是使用 token 的，这种方式也是很多 Web API 常提供的方式，你可以阅读 DynamoDB 的[官方文档](https://docs.aws.amazon.com/zh_cn/amazondynamodb/latest/developerguide/Query.html#Query.Pagination)了解一下它的分页 API。
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