12、MongoDB 数据操作全解析

MongoDB 数据操作全解析

在数据处理的世界里，MongoDB 以其灵活和强大的功能脱颖而出。本文将深入探讨 MongoDB 中各种数据操作的方法和技巧，包括数组操作、原子操作、数据引用等，帮助你更好地掌握 MongoDB 的数据处理能力。

数组操作

在 MongoDB 中，数组操作是一项重要的功能，它允许我们对数组类型的数据进行灵活的处理。以下是几种常见的数组操作方法：

1. 指定数组中的多个值

$push 操作符用于将指定的值追加到给定的数组中。如果需要添加多个不同的值，可以使用 $each 修饰符。例如：

> db.media.update( { "ISBN" : "978-1-4302-5821-6" }, { $push: { Author : { 
$each: ["Griffin, Peter", "Griffin, Brian"] } } } )

此外，在使用 $each 时，还可以结合 $slice 操作符来限制数组中的元素数量。 $slice 接受一个负数或零，负数表示只保留数组中的最后 n 个元素，零则表示清空数组。示例如下：

> db.media.update( { "ISBN" : "978-1-4302-5821-6" }, { $push: { Author : { 
$each: ["Griffin, Meg", "Griffin, Louis"], $slice: -2 } } } )

这个操作不仅将两个新值添加到数组中，还将数组中的数据限制为指定的数量（两个）。 $slice 操作符在处理固定大小的数组时非常有用。

2. 使用 $addToSet 向数组添加数据

$addToSet 操作符用于将数据添加到数组中，但只有当数据不存在于数组中时才会添加。默认情况下， $addToSet 接受一个参数，也可以使用 $each 操作符指定多个参数。例如：

> db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7" }, {$addToSet : { Author :
"Griffin, Brian" } } )

如果再次执行上述代码，由于作者已经在数组中，数组不会发生变化。若要添加多个值，可以使用 $each 操作符：

> db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7" }, {$addToSet : { Author :
{ $each : ["Griffin, Brian","Griffin, Meg"] } } } )

3. 从数组中移除元素

MongoDB 提供了几种从数组中移除元素的方法，包括 $pop 、 $pull 和 $pullAll 。
- $pop 操作符 ：用于移除数组中的单个元素，可以根据传递的参数移除数组的第一个或最后一个元素。例如：

> db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7" }, {$pop : {Author : 1 } } )

上述代码移除了数组中的最后一个元素。传递负数则移除第一个元素：

> db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7" }, {$pop : {Author : -1 } } )

需要注意的是，任何负数都会移除第一个元素，任何正数都会移除最后一个元素，使用 0 也会移除最后一个元素。
- $pull 操作符 ：用于移除数组中指定值的所有出现。例如，先使用 $push 操作将 Griffin, Stewie 添加到作者列表中：

> db.media.update ( {"ISBN" : "1-4302-3051-7"}, {$push: { Author :
"Griffin, Stewie"} } )

然后使用 $pull 操作移除所有出现的 Griffin, Stewie ：

> db.media.update ( {"ISBN" : "1-4302-3051-7"}, {$pull : { Author : 
"Griffin, Stewie" } } )

• $pullAll 操作符 ：用于从数组中移除多个不同值的元素。该操作符接受一个包含所有要移除元素的数组。例如：

> db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7"}, {$pullAll : { Author :
["Griffin, Louis","Griffin, Peter","Griffin, Brian"] } } )

需要注意的是，要移除元素的字段必须是数组类型，否则会收到错误消息。

4. 指定匹配数组的位置

可以使用 $ 操作符在查询中指定匹配数组项的位置，用于在找到数组成员后进行数据操作。例如，假设在添加一个新的曲目到曲目列表时，不小心输入了错误的曲目编号：

> db.media.update( { "Title" : "Nirvana" }, {$addToSet : { Tracklist :
{"Track" : 2,"Title": "Been a Son", "Length":"2:23"} } } )

已知最新项的曲目编号应该是 3 而不是 2，可以使用 $inc 方法结合 $ 操作符将值从 2 增加到 3：

> db.media.update( { "Tracklist.Title" : "Been a son"},
{$inc:{"Tracklist.$.Track" : 1} } )

需要注意的是，只有第一个匹配的项会被更新。

原子操作

MongoDB 支持对单个文档执行原子操作。原子操作是一组可以组合在一起的操作，对于系统的其他部分来说，这组操作看起来就像是一个单一的操作。原子操作的最终结果要么是成功，要么是失败，如果其中一个操作失败，整个原子操作将失败，并将数据恢复到操作前的状态。

MongoDB 不支持锁定或复杂事务，主要原因如下：
- 在分片环境中，分布式锁成本高且速度慢，不符合 MongoDB 轻量级和快速的原则。
- MongoDB 开发者不喜欢死锁的概念，他们认为系统应该简单和可预测。
- MongoDB 旨在处理实时问题，锁定大量数据会影响小的轻量级查询，违背了 MongoDB 追求速度的目标。

MongoDB 包含多个更新操作符，都可以原子性地更新元素：
- $set ：设置特定的值。
- $unset ：移除特定的值。
- $inc ：将特定的值增加一定的数量。
- $push ：将值追加到数组中。
- $pull ：从现有数组中移除一个或多个值。
- $pullAll ：从现有数组中移除多个值。

1. 使用“更新当前值”方法

原子更新的另一种策略是“更新当前值”方法，该方法包括以下三个步骤：
1. 从文档中获取对象。
2. 在本地修改对象（可以使用上述提到的任何操作或它们的组合）。
3. 发送更新请求，将对象更新为新值，前提是当前值仍然与获取的旧值匹配。

例如：

> db.media.update( { "Tracklist.Title" : "Been a son"},
{$inc:{"Tracklist.$.Track" : 1} } )

执行上述命令后，会得到如下结果：

WriteResult({ "nMatched" : 1, "nUpserted" : 0, "nModified" : 1 })

从结果可以看出，更新匹配了一个文档并修改了一个文档。

然而，在多用户环境中，可能会出现 ABA 问题。例如，当 MongoDB 正在修改数据时，另一个用户使用相同的方法更改了曲目列表数据，由于 Tracklist.Title 保持不变，可能会错误地认为正在更新原始数据，实际上是覆盖了更改。为避免这个问题，可以采取以下措施：
- 在更新的查询表达式中使用整个对象，而不仅仅是 _id 和 comments.by 字段。
- 使用 $set 设置关心的字段，这样其他字段的更改不会受到影响。
- 在对象中添加版本变量，并在每次更新时递增。
- 尽可能使用 $ 操作符，而不是“更新当前值”的操作序列。

需要注意的是，MongoDB 不支持在单个操作中原子性地更新多个文档，但可以使用嵌套对象来实现类似的原子操作。

2. 原子性地修改并返回文档

findAndModify 命令允许对文档执行原子更新，并返回该文档。该命令接受三个主要操作符：
- <query> ：用于指定要执行操作的文档。
- <sort> ：当多个文档匹配时，用于对匹配的文档进行排序。
- <operations> ：用于指定需要执行的操作。

以下是一些使用 findAndModify 命令的示例：
- 查找并移除文档 ：

> db.media.findAndModify( { "Title" : "One Piece",sort:{"Title": -1}, 
remove:
true} )

上述代码查找并移除标题为“One Piece”的第一个文档，并返回该文档。执行 find() 函数后，会发现该文档已不再存在于集合中。
- 修改文档 ：

> db.media.findAndModify( { query: { "ISBN" : "987-1-4302-3051-9" }, sort:
{"Title":-1}, update: {$set: {"Title" : " Different Title"} } } )

上述代码将标题从“Definitive Guide to MongoDB, The”更新为“Different Title”，并返回更新前的旧文档。如果希望看到更新后的文档结果，可以在查询后添加 new 操作符：

> db.media.findAndModify( { query: { "ISBN" : "987-1-4302-3051-9" }, sort:
{"Title":-1}, update: {$set: {"Title" : " Different Title"} }, new:true } )

需要注意的是，该命令可以使用任何修改操作符，而不仅仅是 $set 。

集合和数据库操作

除了上述的数据操作，MongoDB 还提供了一些集合和数据库级别的操作。

1. 重命名集合

如果发现集合命名错误，但已经插入了一些数据，可以使用 renameCollection() 函数重命名现有集合。例如：

> db.media.renameCollection("newname")

如果命令执行成功，将返回 { "ok" : 1 } ；如果失败（例如集合不存在），将返回错误消息。

2. 移除数据

• 移除单个文档 ：使用 remove() 函数移除单个文档，需要指定查找文档的条件。例如：

> db.newname.remove( { "Title" : "Different Title" } )

为了确保只移除特定的文档，最好指定文档的 _id 值，因为它是唯一的。
- 移除所有文档 ：可以使用 remove({}) 移除集合中的所有文档：

> db.newname.remove({})

需要注意的是，移除文档时，数据库中对该文档的任何引用仍然存在，需要手动删除或更新这些引用，否则在评估时这些引用将返回 null 。
- 移除集合 ：使用 drop() 函数移除整个集合，包括其所有文档：

> db.newname.drop()

该函数根据操作是否成功返回 true 或 false 。
- 移除数据库 ：使用 dropDatabase() 函数移除整个数据库：

> db.dropDatabase()

该操作将移除当前正在使用的数据库，执行前需要确保正确选择了要操作的数据库。

数据库引用

在某些情况下，需要引用另一个文档中的信息。MongoDB 提供了两种实现方式：手动引用和使用 DBRef 标准。

1. 手动引用数据

手动引用数据是最简单直接的方法，通过将另一个文档的 _id 值存储在当前文档中，可以实现数据引用。例如：

> apress = ( { "_id" : "Apress", "Type" : "Technical Publisher", "Category" 
:
["IT", "Software","Programming"] } )
> db.publisherscollection.insert(apress)
> book = ( { "Type" : "Book", "Title" : "Definitive Guide to MongoDB 2nd 
ed., The",
"ISBN" : "987-1-4302-5821-6", "Publisher" : "Apress","Author" : ["Hows, 
David","Plugge, Eelco","Membrey,Peter","Hawkins, Tim"] } )
> db.media.insert(book)

要获取引用的信息，可以使用 findOne 函数结合点符号：

> book = db.media.findOne()
> db.publisherscollection.findOne( { _id : book.Publisher } )

2. 使用 DBRef 引用数据

DBRef 标准为文档之间的数据引用提供了更正式的规范。使用 DBRef 的主要原因是引用的集合可能会在不同文档之间变化。如果引用的集合始终相同，手动引用即可。

DBRef 的数据库引用存储为标准的嵌入式（JSON/BSON）对象，其语法如下：

{ $ref : <collectionname>, $id : <id value>[, $db : <database name>] }

其中， <collectionname> 表示引用的集合名称， <id value> 表示引用对象的 _id 字段值， $db 是可选的，用于引用其他数据库中的文档。

以下是一个使用 DBRef 的示例：

> db.publisherscollection.drop()
> db.media.drop()
> apress = ( { "Type" : "Technical Publisher", "Category" :
["IT","Software","Programming"] } )
> db.publisherscollection.save(apress)
> apress
> book = { "Type" : "Book", "Title" : "Definitive Guide to MongoDB 2nd ed., 
The",
"ISBN" : "978-1-4302-5821-6", "Author": ["Hows, David","Membrey, 
Peter","Plugge,
Eelco","Hawkins, Tim"], Publisher : [ new DBRef ('publisherscollection',
apress._id) ] }

通过以上介绍，我们对 MongoDB 中的各种数据操作有了更深入的了解。无论是数组操作、原子操作，还是数据引用，都为我们处理和管理数据提供了强大的工具。在实际应用中，可以根据具体需求选择合适的操作方法，以实现高效、灵活的数据处理。

MongoDB 数据操作全解析

操作总结与对比

为了更清晰地理解 MongoDB 中各种操作的特点和适用场景，下面通过表格的形式对数组操作、原子操作等进行总结对比。

操作类型	操作符	功能描述	示例代码
数组操作	$push	将指定值追加到数组中，可结合 $each 添加多个值，还能结合 $slice 限制数组元素数量	db.media.update( { "ISBN" : "978-1-4302-5821-6" }, { $push: { Author : { $each: ["Griffin, Peter", "Griffin, Brian"] } } } )
数组操作	$addToSet	仅当数据不在数组中时添加到数组，可结合 $each 添加多个值	db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7" }, {$addToSet : { Author : { $each : ["Griffin, Brian","Griffin, Meg"] } } } )
数组操作	$pop	移除数组的第一个或最后一个元素	db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7" }, {$pop : {Author : 1 } } )
数组操作	$pull	移除数组中指定值的所有出现	db.media.update ( {"ISBN" : "1-4302-3051-7"}, {$pull : { Author : "Griffin, Stewie" } } )
数组操作	$pullAll	从数组中移除多个不同值的元素	db.media.update( { "ISBN" : "1-4302-3051-7"}, {$pullAll : { Author : ["Griffin, Louis","Griffin, Peter","Griffin, Brian"] } } )
数组操作	$	在查询中指定匹配数组项的位置，用于数据操作	db.media.update( { "Tracklist.Title" : "Been a son"}, {$inc:{"Tracklist.$.Track" : 1} } )
原子操作	$set	设置特定的值	db.media.findAndModify( { query: { "ISBN" : "987-1-4302-3051-9" }, sort: {"Title":-1}, update: {$set: {"Title" : " Different Title"} } } )
原子操作	$unset	移除特定的值	-
原子操作	$inc	将特定的值增加一定的数量	db.media.update( { "Tracklist.Title" : "Been a son"}, {$inc:{"Tracklist.$.Track" : 1} } )
原子操作相关策略	更新当前值方法	先获取对象，本地修改，再更新，前提是当前值与旧值匹配	-
原子操作命令	findAndModify	对文档执行原子更新并返回文档	db.media.findAndModify( { "Title" : "One Piece",sort:{"Title": -1}, remove: true} )
集合操作	renameCollection()	重命名现有集合	db.media.renameCollection("newname")
数据移除操作	remove()	移除单个或所有文档	db.newname.remove( { "Title" : "Different Title" } ) 、 db.newname.remove({})
集合移除操作	drop()	移除整个集合	db.newname.drop()
数据库移除操作	dropDatabase()	移除整个数据库	db.dropDatabase()
数据引用方式	手动引用	将另一个文档的 _id 值存储在当前文档中实现引用	db.publisherscollection.findOne( { _id : book.Publisher } )
数据引用方式	DBRef	以标准嵌入式对象存储引用，语法为 { $ref : <collectionname>, $id : <id value>[, $db : <database name>] }	book = { "Type" : "Book", ..., Publisher : [ new DBRef ('publisherscollection', apress._id) ] }

操作流程梳理

为了更直观地展示 MongoDB 中的主要操作流程，下面通过 mermaid 流程图进行说明。

graph TD
    classDef startend fill:#F5EBFF,stroke:#BE8FED,stroke-width:2px;
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    classDef decision fill:#FFF6CC,stroke:#FFBC52,stroke-width:2px;

    A([开始]):::startend --> B(数组操作):::process
    A --> C(原子操作):::process
    A --> D(集合和数据库操作):::process
    A --> E(数据库引用):::process

    B --> B1{选择操作符}:::decision
    B1 -->|$push| B2(追加值到数组):::process
    B1 -->|$addToSet| B3(添加唯一值到数组):::process
    B1 -->|$pop| B4(移除数组元素):::process
    B1 -->|$pull| B5(移除指定值的所有出现):::process
    B1 -->|$pullAll| B6(移除多个不同值的元素):::process
    B1 -->|$| B7(指定匹配数组项位置):::process

    C --> C1{选择操作方式}:::decision
    C1 -->|更新操作符| C2(使用 $set、$unset 等):::process
    C1 -->|更新当前值方法| C3(获取、修改、更新对象):::process
    C1 -->|findAndModify 命令| C4(原子更新并返回文档):::process

    D --> D1{选择操作}:::decision
    D1 -->|renameCollection()| D2(重命名集合):::process
    D1 -->|remove()| D3(移除文档):::process
    D1 -->|drop()| D4(移除集合):::process
    D1 -->|dropDatabase()| D5(移除数据库):::process

    E --> E1{选择引用方式}:::decision
    E1 -->|手动引用| E2(存储 _id 值实现引用):::process
    E1 -->|DBRef| E3(使用标准格式存储引用):::process

    B2 --> F([结束]):::startend
    B3 --> F
    B4 --> F
    B5 --> F
    B6 --> F
    B7 --> F
    C2 --> F
    C3 --> F
    C4 --> F
    D2 --> F
    D3 --> F
    D4 --> F
    D5 --> F
    E2 --> F
    E3 --> F

操作注意事项和最佳实践

在使用 MongoDB 进行数据操作时，还需要注意以下事项和遵循一些最佳实践：

数组操作注意事项

• 在使用 $pullAll 操作符时，要确保操作的字段是数组类型，否则会报错。
• 使用 $ 操作符进行数组数据操作时，只有第一个匹配的项会被更新，如果需要更新多个匹配项，需要采用其他策略。

原子操作注意事项

• 由于 MongoDB 不支持在单个操作中原子性地更新多个文档，对于需要关联更新的多个文档，可以考虑使用嵌套对象来实现类似的原子操作。
• 在使用“更新当前值”方法时，要注意 ABA 问题，可通过使用整个对象、 $set 操作符、版本变量或 $ 操作符等方式避免。

集合和数据库操作注意事项

• 移除文档时，要记得手动处理数据库中对该文档的引用，否则引用可能会返回 null 。
• 在执行 dropDatabase() 操作前，一定要确认当前操作的数据库是否正确，避免误删重要数据。

数据引用最佳实践

• 如果引用的集合始终相同，手动引用数据是一种简单有效的方式；如果引用的集合会发生变化，建议使用 DBRef 标准。

总结

MongoDB 提供了丰富多样的数据操作功能，涵盖数组操作、原子操作、集合和数据库操作以及数据引用等方面。通过合理运用这些操作，我们可以高效、灵活地处理和管理数据。在实际应用中，要根据具体需求选择合适的操作方法，并注意操作的注意事项和遵循最佳实践，以确保数据操作的正确性和高效性。希望本文的介绍能帮助你更好地掌握 MongoDB 的数据操作技巧，在实际项目中发挥出 MongoDB 的强大优势。