13、MongoDB数据操作与GridFS存储全解析

MongoDB数据操作与GridFS存储全解析

1. 索引相关函数实现

在数据库操作中，索引起着至关重要的作用。MongoDB提供了丰富的索引相关函数，下面我们来详细了解如何创建和使用索引。

1.1 创建索引

MongoDB中， ensureIndex() 函数是创建索引的主要工具。它至少需要一个参数，即文档中的一个键名，用于构建索引。例如，在 media 集合中，我们可以为 Title 键创建索引：

> db.media.ensureIndex( { Title : 1 } )

上述命令会为 media 集合中所有文档的 Title 值创建索引。 :1 表示索引按升序排列，若使用 -1 则表示降序排列：

// 升序索引
db.media.ensureIndex( { Title :1 } )
// 降序索引
db.media.ensureIndex( { Title :-1 } )

小贴士 ：在MongoDB中，创建索引的场景与MySQL类似。同时，搜索索引信息速度快，而搜索非索引信息则较慢，因为需要检查每个文档是否匹配。

1.2 嵌入式键索引

BSON允许在文档中存储完整数组，MongoDB还支持为嵌入式键创建索引。例如，我们向 media 集合中插入一个包含嵌入式信息的文档：

> db.media.insert( { "Type" : "CD", "Artist" : "Nirvana","Title" :
"Nevermind", "Tracklist" : [ { "Track" : "1", "Title" : "Smells Like Teen
Spirit", "Length" : "5:02" }, {"Track" : "2","Title" : "In Bloom", "Length" 
:
"4:15" } ] } )

然后为 Tracklist 中的 Title 键创建索引：

> db.media.ensureIndex( { "Tracklist.Title" : 1 } )

这样，下次搜索 Tracklist 中的标题时，就能快速找到匹配项。此外，还可以将整个（子）文档作为键创建索引：

> db.media.ensureIndex( { "Tracklist" : 1 } )

这种类型的键称为多键。还可以基于多个键创建复合索引，示例如下：

> db.media.ensureIndex({"Tracklist.Title": 1, "Tracklist.Length": -1})

复合索引的好处是可以对多个键进行索引，并且能指定某个字段按降序索引，而子文档方法只能整体指定升序或降序。

2. 索引相关命令概述

除了 ensureIndex() 函数，还有 hint() 和 min() / max() 函数在查询数据时非常有用。

2.1 强制使用指定索引查询数据

hint() 函数可强制在查询数据时使用指定索引，以提高查询性能。例如，在未创建索引的情况下使用 hint() 函数查询：

> db.media.find( { ISBN: " 978-1-4302-5821-6"} ) . hint ( { ISBN: -1 } )
error: { "$err" : "bad hint", "code" : 10113 }

若先为 ISBN 号创建索引，再使用 hint() 函数查询就会成功：

> db.media.ensureIndex({ISBN: 1}, {background: true});
> db.media.find( { ISBN: " 978-1-4302-5821-6"} ) . hint ( { ISBN: 1 } )

为确认是否使用了指定索引，可添加 explain() 函数：

> db.media.find( { ISBN: " 978-1-4302-5821-6"} ) . hint ( { ISBN: 1 } 
).explain()

2.2 约束查询匹配

min() 和 max() 函数可将查询匹配结果约束在指定的最小和最大键之间。使用这两个函数前，需要为指定的键创建索引。例如，先为 Released 字段创建索引：

> db.media.insert( { "Type" : "DVD", "Title" : "Matrix, The", "Released" :
1999} )
> db.media.insert( { "Type" : "DVD", "Title" : "Blade Runner", "Released" :
1982 } )
> db.media.insert( { "Type" : "DVD", "Title" : "Toy Story 3", "Released" :
2010} )
> db.media.ensureIndex( { "Released": 1 } )

然后使用 min() 和 max() 函数查询：

> db.media.find() . min ( { Released: 1995 } ) . max ( { Released : 2005 } )

若未创建索引，会返回错误信息。通常建议使用 $gt 和 $lt 操作符，因为它们不需要索引，而 min() 和 max() 函数主要用于复合键。

3. GridFS简介

在当今高清视频、高像素相机和大容量存储介质的时代，MongoDB文档最大16MB的限制显得有些不足。这一限制主要是出于性能考虑，因为若数据直接存储在文档中，文档会变得非常大，处理起来会很困难。

MongoDB提供了GridFS这一独特的解决方案，它允许轻松存储大文件，并能在不检索整个文件的情况下访问文件的部分内容，同时保持高性能。GridFS并非软件特性，而是MongoDB所有支持的驱动程序使用的简单规范，遵循该规范的不同驱动程序可以相互访问存储的文件。

4. GridFS背景知识

长期以来，我们习惯使用数据库进行简单存储。但读写数据到磁盘并非易事，尤其是在搜索文件或存储复杂结构化数据时。许多书籍在教授使用数据库存储数据时，建议在存储文件时读写文件系统，然而这种方法存在一些问题，如安全问题、备份和复制问题等。

MongoDB的16MB文档大小限制在过去可能足够，但在当今环境下已远远不够。

5. GridFS工作原理

GridFS由两部分组成，即两个集合。一个集合存储文件名和相关元数据，另一个集合存储文件数据，通常以256K的块形式存储。默认情况下，这两个集合分别命名为 files 和 chunks ，并创建在 fs 命名空间下，但可以根据需要更改命名空间，例如将图像和电影文件分开存储。

6. 使用命令行工具开始GridFS操作

下面我们通过命令行工具来体验GridFS的使用。

6.1 准备文件

为了简单起见，我们使用Ubuntu系统下的字典文件 /usr/share/dict/words 。由于存在符号链接，可先运行以下命令将文件内容复制到一个简单路径：

root@core2:/usr/share/dict# cat words > /tmp/dictionary

在Ubuntu系统中，可能需要使用 apt-get install wbritish 来安装字典文件。

6.2 列出数据库中的文件

使用 mongofiles list 命令列出数据库中的文件：

$ mongofiles list
connected to: 127.0.0.1
$

此时数据库中可能没有文件。

6.3 上传文件

使用 mongofiles put 命令上传之前准备的字典文件：

$ mongofiles put /tmp/dictionary
connected to: 127.0.0.1
added file: { _id: ObjectId('51cb61b26487b3d8ce7af440'), filename: "/tmp/
dictionary", chunkSize: 262144, uploadDate: new Date(1372283314621), md5: 
"40c0825855792bd20e8a2d515fe9c3e3", length: 4953699 }}}
done!
$

6.4 确认文件上传

再次使用 mongofiles list 命令确认文件已上传：

$  mongofiles list
connected to: 127.0.0.1
/tmp/dictionary 4953699
$

7. 使用 _id 键

在MongoDB中，每个文档都有一个唯一的标识符存储在 _id 键中。虽然它本身没有太多直接用途，但可以通过它挑选出特定的文件。

综上所述，MongoDB的索引操作和GridFS存储为数据处理和大文件存储提供了强大的功能。通过合理使用索引，可以提高查询性能；而GridFS则有效解决了大文件存储的问题。在实际应用中，我们可以根据具体需求灵活运用这些功能。

MongoDB数据操作与GridFS存储全解析

8. GridFS操作流程总结

为了更清晰地展示GridFS的操作流程，我们可以用以下mermaid流程图表示：

graph LR
    A[准备文件] --> B[列出数据库中的文件]
    B --> C{是否有文件}
    C -- 否 --> D[上传文件]
    C -- 是 --> D
    D --> E[确认文件上传]

同时，我们可以将GridFS的操作步骤总结成如下表格：
| 操作步骤 | 命令 | 说明 |
| — | — | — |
| 准备文件 | root@core2:/usr/share/dict# cat words > /tmp/dictionary | 将字典文件内容复制到指定路径 |
| 列出数据库中的文件 | $ mongofiles list | 查看数据库中现有的文件 |
| 上传文件 | $ mongofiles put /tmp/dictionary | 将指定文件上传到数据库 |
| 确认文件上传 | $ mongofiles list | 再次查看数据库，确认文件已上传 |

9. 索引操作的注意事项

在进行索引操作时，有一些注意事项需要我们牢记：
- 创建索引的时机 ：在需要频繁查询的字段上创建索引，可提高查询性能。例如，在经常根据 Title 字段查询的 media 集合中，为 Title 字段创建索引。
- 索引的方向 ：使用 :1 表示升序索引， :-1 表示降序索引。根据实际查询需求选择合适的索引方向。
- 复合索引的使用 ：复合索引适用于需要同时根据多个字段进行查询的场景。但要注意，复合索引的字段顺序很重要，应根据查询条件的使用频率来确定字段顺序。

10. GridFS的优势与应用场景

GridFS具有以下优势：
- 高性能 ：通过将大文件分割成小块存储，避免了直接处理大文档带来的性能问题。
- 灵活访问 ：可以在不检索整个文件的情况下访问文件的部分内容。
- 跨驱动兼容性 ：遵循GridFS规范的不同驱动程序可以相互访问存储的文件。

GridFS适用于以下应用场景：
- 存储大文件 ：如高清视频、大型图片等。
- 需要部分访问文件内容的场景 ：例如，只需要读取视频的某一帧或图片的部分区域。

11. 索引与GridFS的结合使用

在实际应用中，我们可以将索引与GridFS结合使用，以提高数据处理和文件访问的效率。例如，在存储文件的元数据集合中创建索引，以便快速查找所需文件。
以下是一个简单的示例，假设我们在 fs.files 集合中存储文件的元数据，为 filename 字段创建索引：

> db.fs.files.ensureIndex( { "filename" : 1 } )

这样，在查询特定文件名的文件时，就可以利用该索引提高查询速度：

> db.fs.files.find( { "filename" : "example.txt" } )

12. 总结

本文详细介绍了MongoDB的索引操作和GridFS存储。索引操作方面，我们学习了如何使用 ensureIndex() 函数创建索引，包括单键索引、嵌入式键索引和复合索引；还了解了 hint() 、 min() 和 max() 等索引相关命令的使用。GridFS存储方面，我们了解了其背景知识、工作原理，并通过命令行工具演示了如何使用GridFS存储和访问大文件。

通过合理运用索引和GridFS，我们可以提高数据库的查询性能，解决大文件存储的问题，为实际应用提供更强大的支持。在未来的开发中，我们可以根据具体需求，进一步探索和优化这些功能的使用。

以下是索引操作和GridFS操作的关键步骤总结列表：
- 索引操作 ：
1. 使用 ensureIndex() 函数创建索引，指定索引键和方向。
2. 对于嵌入式键和复合键，合理创建索引以提高查询效率。
3. 使用 hint() 函数强制使用指定索引，使用 min() 和 max() 函数约束查询匹配。
- GridFS操作 ：
1. 准备文件，可通过复制文件内容到指定路径。
2. 使用 mongofiles list 命令列出数据库中的文件。
3. 使用 mongofiles put 命令上传文件。
4. 再次使用 mongofiles list 命令确认文件已上传。

希望本文能帮助你更好地理解和应用MongoDB的索引操作和GridFS存储，在实际项目中发挥它们的优势。