MongoDB基础详解

一、MongoDB概述

MongoDB 是一个基于分布式文件存储的开源 NoSQL 数据库系统，由 C++ 编写的。MongoDB 提供了面向文档的存储方式，操作起来比较简单和容易，支持“无模式”的数据建模，可以存储比较复杂的数据类型，是一款非常流行的文档类型数据库。

在高负载的情况下，MongoDB 天然支持水平扩展和高可用，可以很方便地添加更多的节点/实例，以保证服务性能和可用性。在许多场景下，MongoDB 可以用于代替传统的关系型数据库或键/值存储方式，皆在为 Web 应用提供可扩展的高可用高性能数据存储解决方案

1、MongoDB的数据结构

MongoDB是面向文档的NoSQL（非关系型）数据库，它的数据结构由字段（Field）和值（Value）组成，类似于JSON对象：

{
    name:"张三",
    sex:"男性",
    age:30
}

2、MongoDB的存储结构

MongoDB的存储结构区别于传统的关系型数据库，由如下三个单元组成：

文档（Document）：MongoDB中最基本的单元，由BSON键值对（key-value）组成。相当于关系型数据库中的行（Row）。
集合（Collection）：一个集合可以包含多个文档，相当于关系型数据库中的表格（Table）。
数据库（Database）：等同于关系型数据库中的数据库概念，一个数据库中可以包含多个集合。您可以在MongoDB中创建多个数据库。

SQL 与 MongoDB 常见术语对比 ：

SQL	MongoDB
表（Table）	集合（Collection）
行（Row）	文档（Document）
列（Col）	字段（Field）
主键（Primary Key）	对象 ID（Objectid）
索引（Index）	索引（Index）
嵌套表（Embeded Table）	嵌入式文档（Embeded Document）
数组（Array）	数组（Array）

二、Databases and Collections

1、概述

MongoDB将数据记录存储为文档（特别是BSON文档），这些文档在集合中聚集在一起。数据库存储一个或多个文档集合。

2、Databases

在MongoDB中，数据库保存一个或多个文档集合。要选择要使用的数据库，请在mongosh中使用use<db>语句，如下例所示：

use myDB

3、Create a Database

如果数据库不存在，MongoDB将在您首次存储该数据库的数据时创建该数据库。因此，您可以切换到不存在的数据库，并在mongosh中执行以下操作：

use myNewDB

db.myNewCollection1.insertOne( { x: 1 } )

insertOne（）操作创建数据库myNewDB和集合myNewCollection1（如果它们不存在）。确保数据库和集合名称都遵循MongoDB命名限制。

3、Collections

MongoDB将文档存储在集合中。集合类似于关系数据库中的表。

4、Create a Collection

如果集合不存在，MongoDB会在您首次存储该集合的数据时创建该集合。

db.myNewCollection2.insertOne( { x: 1 } )
db.myNewCollection3.createIndex( { y: 1 } )

insertOne（）和createIndex（）操作都会创建各自的集合（如果它们不存在）。确保集合名称遵循MongoDB命名限制。

5、显式创建

MongoDB提供了db.createCollection（）方法来显式创建具有各种选项的集合，例如设置最大大小或文档验证规则。如果没有指定这些选项，则不需要显式创建集合，因为MongoDB在首次存储集合的数据时会创建新的集合。

6、Document 验证

默认情况下，集合不要求其文档具有相同的架构；即，单个集合中的文档不需要具有相同的字段集，并且字段的数据类型可以在集合中的各个文档中不同。
然而，从MongoDB3.2开始，您可以在更新和插入操作期间强制集合的文档验证规则。

7、唯一标识符

集合被分配一个不可变的UUID。在副本集的所有成员和碎片集群中的碎片之间，集合UUID保持不变。
要检索集合的UUID，请运行listCollections命令或db.getCollectionInfos（）方法。

三、Documents

MongoDB将数据记录存储为BSON文档。BSON是JSON文档的二进制表示，尽管它包含的数据类型比JSON多。有关BSON规范，请参阅bsonspec.org。另请参阅BSON类型。

1、兼容性

MongoDB将记录存储为在以下环境中托管的部署的文档：

MongoDB Atlas：云中MongoDB部署的完全托管服务
MongoDB Enterprise:MongoDB的基于订阅的自我管理版本
MongoDB社区：MongoDB的源代码可用、免费使用和自我管理版本

2、Document 结构

MongoDB文档由字段和值对组成，结构如下：

{
   field1: value1,
   field2: value2,
   field3: value3,
   ...
   fieldN: valueN
}

字段的值可以是任何BSON数据类型，包括其他文档、数组和文档数组。例如，以下文档包含各种类型的值：

var mydoc = {
               _id: ObjectId("5099803df3f4948bd2f98391"),
               name: { first: "Alan", last: "Turing" },
               birth: new Date('Jun 23, 1912'),
               death: new Date('Jun 07, 1954'),
               contribs: [ "Turing machine", "Turing test", "Turingery" ],
               views : NumberLong(1250000)
            }

上述字段具有以下数据类型：

_id包含ObjectId。
name保存一个嵌入的文档，其中包含第一个和最后一个字段。
birth and death保留Date类型的值。
contribs保存字符串数组。
views 保存NumberLong类型的值。

3、字段名称

字段名称是字符串。

文档对字段名有以下限制：

字段名_id保留为主键；它的值在集合中必须唯一，不可变，并且可以是数组以外的任何类型。如果_id包含子字段，则子字段名称不能以（$）符号开头。
字段名不能包含空字符。
服务器允许存储包含点（.）和美元符号（$）的字段名。
MongodB 5.0增加了对在字段名中使用（$）和（.）的改进支持。有一些限制。有关更多详细信息，请参阅字段名称注意事项。

BSON文档可以有多个同名字段。然而，大多数MongoDB接口使用不支持重复字段名的结构（例如哈希表）来表示MongoDB。如果需要处理具有多个同名字段的文档，请参阅驱动程序的驱动程序文档。
一些由内部MongoDB进程创建的文档可能具有重复的字段，但任何MongoDB流程都不会向现有用户文档添加重复的字段。

4、Arrays

要通过从零开始的索引位置指定或访问数组的元素，请将数组名称与点（.）和从零开始索引位置连接起来，并用引号括起来：

"<array>.<index>"

例如，给定文档中的以下字段：

{
   ...
   contribs: [ "Turing machine", "Turing test", "Turingery" ],
   ...
}

5、嵌入式Document

要使用点表示法指定或访问嵌入文档的字段，请将嵌入文档名称与点（.）和字段名称连接起来，并用引号括起来：

"<embedded document>.<field>"

例如，给定文档中的以下字段：

{
   ...
   name: { first: "Alan", last: "Turing" },
   contact: { phone: { type: "cell", number: "111-222-3333" } },
   ...
}

要在名称字段中指定名为last的字段，请使用点符号“name.last”。
要在联系人字段中指定电话文档中的号码，请使用点符号“contact.phone.number”。

6、Document 限制

Document 具有以下属性：

文档大小限制

最大BSON文档大小为16 MB。
最大文档大小有助于确保单个文档不能使用过多的RAM，或者在传输期间不能使用过大的带宽。为了存储大于最大大小的文档，MongoDB提供了GridFS API。有关GridFS的更多信息，请参阅mongofiles和驱动程序的文档。

7、文档字段顺序

与JavaScript对象不同，BSON文档中的字段是有序的。

查询中的字段顺序

在比较文档时，字段顺序很重要。例如，当将文档与查询中的字段a和b进行比较时：
- {a: 1, b: 1}等于{a: 1, b: 1}
- {a: 1, b: 1}不等于{b: 1, a: 1}

为了有效地执行查询，查询引擎可以在查询处理期间对字段重新排序。在其他情况下，处理这些投影操作符时可能会重新排序字段：$project、$addFields、$set和$unset。
- 字段重新排序可能发生在中间结果以及查询返回的最终结果。
- 由于某些操作可能会对字段重新排序，因此不应依赖查询返回的结果中的特定字段排序使用前面列出的投影运算符。

写入操作中的字段顺序
对于写入操作，MongoDB保留文档字段的顺序，但以下情况除外：

_id字段始终是文档中的第一个字段。
包括重命名字段名的更新可能会导致文档中字段的重新排序。

8、`_id字段`

在MongoDB中，存储在集合中的每个文档都需要一个唯一的_id字段，该字段充当主键。如果插入的文档省略了_id字段，MongoDB驱动程序将自动为_id字段生成ObjectId。这也适用于通过upsert:true的更新操作插入的文档。 _Iid字段具有以下行为和约束：

默认情况下，MongoDB在创建集合期间在_id字段上创建唯一索引。
_id字段始终是文档中的第一个字段。如果服务器首先接收到一个没有_id字段的文档，那么服务器将把字段移到开头。

以下是存储_id值的常用选项：

使用ObjectId。
使用自然唯一标识符（如果可用）。这节省了空间，并避免了额外的索引。
生成自动递增的数字。
在应用程序代码中生成UUID。为了更有效地存储集合和_id索引中的UUID值，请将UUID存储为BSON BinData类型的值。
在以下情况下，BinData类型的索引键将更有效地存储在索引中：
- 二进制子类型值在 0-7 或 128-135 范围内，并且
- 字节数组的长度为：0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 10， 12， 14、16、20、24 或 32。
使用驱动程序的BSON UUID工具生成UUID。请注意，驱动程序实现可能以不同的方式实现UUID序列化和反序列化逻辑，这可能与其他驱动程序不完全兼容。查看您的有关UUID互操作性的信息的驱动程序文档。