MongoDB Shell中的数据类型与操作技巧

MongoDB Shell 中的数据类型

基本数据类型

字符串（String）
- 在 MongoDB 中，字符串是 UTF - 8 编码的字符序列。字符串必须用双引号（"）或单引号（'）括起来。例如：
```
db.users.insertOne({name: "John Doe"});
```
- 字符串类型常用于存储文本信息，如用户名、描述等。在查询时，可以使用各种字符串匹配操作符。例如，要查找名字以“J”开头的用户：
```
db.users.find({name: /^J/});
```
数值（Number）
- MongoDB 支持多种数值类型。在 32 位系统上，默认的数值类型是 NumberInt，它是 32 位有符号整数。例如：
```
db.products.insertOne({price: NumberInt(10)});
```
- 在 64 位系统上，默认的数值类型是 NumberLong，用于表示 64 位有符号整数。对于浮点数，可以直接使用 JavaScript 的原生 Number 类型，MongoDB 会将其存储为 Double 类型。例如：
```
db.products.insertOne({weight: 1.5});
```
- 数值类型在各种计算和比较操作中广泛使用。例如，要查找价格大于 50 的产品：
```
db.products.find({price: {$gt: 50}});
```
布尔值（Boolean）
- 布尔类型只有两个值：true 和 false。常用于表示逻辑状态，如用户是否激活、产品是否有库存等。例如：
```
db.users.insertOne({isActive: true});
```
- 在查询时，可以根据布尔值进行筛选。例如，查找所有激活的用户：
```
db.users.find({isActive: true});
```
日期（Date）
- 在 MongoDB Shell 中，日期类型通过 new Date() 创建。日期存储为自 Unix 纪元（1970 年 1 月 1 日 00:00:00 UTC）以来的毫秒数。例如：
```
var today = new Date();
db.orders.insertOne({orderDate: today});
```
- 可以对日期进行各种操作，如查找特定日期范围内的订单。例如，查找最近一周内的订单：
```
var oneWeekAgo = new Date();
oneWeekAgo.setDate(oneWeekAgo.getDate() - 7);
db.orders.find({orderDate: {$gte: oneWeekAgo}});
```
空值（Null）
- null 类型表示一个空值或不存在的值。在 MongoDB 中，它可用于表示文档中某个字段缺失或明确设置为空值。例如：
```
db.users.insertOne({bio: null});
```
- 在查询时，可以查找某个字段为 null 的文档。例如：
```
db.users.find({bio: null});
```

复合数据类型

数组（Array）
- 数组是值的有序集合。在 MongoDB 中，数组可以包含不同数据类型的元素。例如，可以创建一个包含字符串和数值的数组：
```
db.books.insertOne({
    title: "Programming Languages",
    authors: ["John Smith", "Jane Doe"],
    ratings: [4, 5]
});
```
- 数组在 MongoDB 中有强大的查询和更新操作。例如，要查找有“John Smith”作为作者的书籍：
```
db.books.find({authors: "John Smith"});
```
- 还可以使用数组操作符对数组进行更复杂的操作。例如，$push 操作符用于向数组中添加元素：
```
db.books.updateOne(
    {title: "Programming Languages"},
    {$push: {ratings: 3}}
);
```
文档（Document）
- 文档是 MongoDB 中数据的基本组织单位，它是一个键值对的无序集合。文档可以嵌套，即一个文档的字段值可以是另一个文档。例如：
```
db.addresses.insertOne({
    street: "123 Main St",
    city: "Anytown",
    state: "CA",
    zip: "12345",
    location: {
        lat: 37.7749,
        lon: -122.4194
    }
});
```
- 在查询嵌套文档时，需要使用点表示法。例如，要查找纬度大于 37 的地址：
```
db.addresses.find({"location.lat": {$gt: 37}});
```
对象 ID（ObjectId）
- ObjectId 是 MongoDB 为每个文档自动生成的唯一标识符。它是一个 12 字节的 BSON 类型。ObjectId 的前 4 个字节表示文档创建的时间戳。例如，在插入文档时，MongoDB 会自动为其生成 ObjectId：
```
var result = db.users.insertOne({name: "Alice"});
var objectId = result.insertedId;
```
- 可以使用 ObjectId 进行文档的精确查找。例如：
```
db.users.find({_id: objectId});
```
- 在 JavaScript 中，可以通过 ObjectId 构造函数将字符串形式的 ObjectId 转换为 ObjectId 对象，以便进行查询。例如：
```
var objectIdStr = "5f4f7a9b9c8a370c50f9e57f";
var objectIdObj = ObjectId(objectIdStr);
db.users.find({_id: objectIdObj});
```

MongoDB Shell 中的操作技巧

查询操作技巧

使用投影（Projection）限制返回字段
- 在查询时，默认会返回文档的所有字段。通过投影，可以选择只返回需要的字段。例如，要查找用户的名字和电子邮件，而不返回其他字段：
```
db.users.find({}, {name: 1, email: 1, _id: 0});
```
- 在投影中，将字段值设为 1 表示包含该字段，设为 0 表示排除该字段。_id 字段比较特殊，默认是包含的，如果要排除，必须显式设置为 0。
复合查询条件（Logical Operators）
- 可以使用逻辑操作符（$and、$or、$not）组合多个查询条件。例如，要查找年龄大于 30 且城市为“New York”的用户：
```
db.users.find({
    $and: [
        {age: {$gt: 30}},
        {city: "New York"}
    ]
});
```
- 使用 $or 操作符查找年龄大于 30 或者城市为“New York”的用户：
```
db.users.find({
    $or: [
        {age: {$gt: 30}},
        {city: "New York"}
    ]
});
```
- $not 操作符用于对单个条件取反。例如，查找年龄不大于 30 的用户：
```
db.users.find({age: {$not: {$gt: 30}}});
```
范围查询（Range Queries）
- 除了 $gt（大于）、$lt（小于），还有 $gte（大于等于）、$lte（小于等于）。例如，要查找价格在 50 到 100 之间（包括 50 和 100）的产品：
```
db.products.find({price: {$gte: 50, $lte: 100}});
```
数组查询技巧
- 查询数组元素：可以直接查询数组中是否包含某个元素。例如，要查找有“JavaScript”标签的文章：
```
db.articles.find({tags: "JavaScript"});
```
- 查询数组长度：使用 $size 操作符可以查询具有特定长度的数组。例如，要查找有 3 个作者的书籍：
```
db.books.find({authors: {$size: 3}});
```
- 查询数组中的对象：如果数组元素是对象，可以使用点表示法查询对象的字段。例如，假设订单中的订单项是对象数组，要查找包含价格大于 10 的订单项的订单：
```
db.orders.find({"orderItems.price": {$gt: 10}});
```

更新操作技巧

原子更新操作符
- $set 操作符：用于设置字段的值。例如，要更新用户的电子邮件：
```
db.users.updateOne(
    {name: "John Doe"},
    {$set: {email: "john@example.com"}}
);
```
- $inc 操作符：用于对数值字段进行递增或递减。例如，要将产品的库存数量减少 5：
```
db.products.updateOne(
    {productName: "Widget"},
    {$inc: {stock: -5}}
);
```
- $unset 操作符：用于删除字段。例如，要删除用户的 bio 字段：
```
db.users.updateOne(
    {name: "Jane Smith"},
    {$unset: {bio: ""}}
);
```
数组更新操作符
- $push 操作符：如前文所述，用于向数组中添加元素。可以通过 $each 修饰符一次添加多个元素。例如，要向文章的标签数组中添加多个标签：
```
db.articles.updateOne(
    {title: "MongoDB Tips"},
    {$push: {tags: {$each: ["database", "nosql"]}}}
);
```
- $pull 操作符：用于从数组中删除符合条件的元素。例如，要从用户的爱好数组中删除“swimming”：
```
db.users.updateOne(
    {name: "Bob"},
    {$pull: {hobbies: "swimming"}}
);
```
- $pop 操作符：用于从数组的开头或结尾删除一个元素。例如，要从订单的订单项数组中删除最后一个订单项：
```
db.orders.updateOne(
    {orderNumber: "12345"},
    {$pop: {orderItems: -1}}
);
```
- 这里 -1 表示从数组末尾删除，1 表示从数组开头删除。

聚合操作技巧

基本聚合操作
- $group 操作符：用于按指定的字段对文档进行分组，并对每个组应用累加器函数。例如，要按城市统计用户数量：
```
db.users.aggregate([
    {$group: {_id: "$city", count: {$sum: 1}}}
]);
```
- 在这个例子中，_id 字段指定了分组依据，$sum 是累加器函数，用于计算每个组中的文档数量。
- $match 操作符：用于在聚合管道中筛选文档，类似于 find 方法中的查询条件。例如，要先筛选出年龄大于 30 的用户，再按城市统计数量：
```
db.users.aggregate([
    {$match: {age: {$gt: 30}}},
    {$group: {_id: "$city", count: {$sum: 1}}}
]);
```
复杂聚合操作
- $lookup 操作符：用于执行左外连接，将来自不同集合的数据组合在一起。例如，假设有一个 orders 集合和一个 customers 集合，要在订单文档中添加对应的客户信息：
```
db.orders.aggregate([
    {$lookup: {
        from: "customers",
        localField: "customerId",
        foreignField: "_id",
        as: "customerInfo"
    }}
]);
```
- 这里 from 指定要连接的集合，localField 是当前集合中的字段，foreignField 是连接集合中的字段，as 是结果数组的字段名。
- $project 操作符：在聚合管道中用于投影，类似于查询中的投影。例如，在前面的聚合结果中，只保留订单号、客户姓名和订单金额：
```
db.orders.aggregate([
    {$lookup: {
        from: "customers",
        localField: "customerId",
        foreignField: "_id",
        as: "customerInfo"
    }},
    {$project: {
        orderNumber: 1,
        customerName: "$customerInfo.name",
        orderAmount: 1,
        _id: 0
    }}
]);
```

索引操作技巧

创建索引
- 单字段索引：可以为单个字段创建索引以提高查询性能。例如，要为 users 集合的 email 字段创建索引：
```
db.users.createIndex({email: 1});
```
- 这里 1 表示升序索引，-1 表示降序索引。
- 复合索引：当需要根据多个字段进行查询时，可以创建复合索引。例如，要根据 city 和 age 字段创建复合索引：
```
db.users.createIndex({city: 1, age: -1});
```
- 复合索引的字段顺序很重要，查询条件应与索引字段顺序相匹配以获得最佳性能。
索引管理
- 查看索引：可以使用 getIndexes 方法查看集合的所有索引。例如：
```
db.users.getIndexes();
```
- 删除索引：使用 dropIndex 方法删除不需要的索引。例如，要删除 email 字段的索引：
```
db.users.dropIndex({email: 1});
```
- 重建索引：在某些情况下，如索引损坏或需要优化索引结构时，可以重建索引。例如：
```
db.users.reIndex();
```

性能优化技巧

查询优化
- 分析查询：使用 explain 方法分析查询的执行计划，了解查询如何使用索引等。例如：
```
db.users.find({age: {$gt: 30}}).explain("executionStats");
```
- 分析结果会显示查询的执行时间、扫描的文档数、是否使用索引等信息，帮助优化查询。
- 避免全表扫描：确保查询条件使用的字段有合适的索引，尽量避免查询条件中使用范围操作符（如 $gt、$lt）在索引字段的开头，因为这可能导致索引无法完全利用，从而引发全表扫描。
服务器配置优化
- 内存配置：MongoDB 依赖内存来缓存数据和索引，确保服务器有足够的内存分配给 MongoDB。可以通过修改配置文件（通常是 mongod.conf）来调整内存相关参数，如 wiredTiger.cache_sizeGB 用于设置 WiredTiger 存储引擎的缓存大小。
- 存储配置：选择合适的存储设备，如 SSD 可以显著提高 I/O 性能。此外，合理规划数据目录和日志目录，避免 I/O 竞争。
副本集和分片优化
- 副本集：合理配置副本集成员数量，确保有足够的冗余，同时避免过多成员导致性能开销。主节点和从节点的负载均衡也很重要，可以通过配置从节点的优先级和隐藏属性来优化。例如，将一些用于备份或分析的从节点设置为隐藏节点，避免它们参与读操作竞争。
- 分片：根据数据量和查询模式合理选择分片键，确保数据均匀分布在各个分片上。定期监控分片集群的状态，使用 sh.status() 命令查看分片的负载情况，必要时进行手动均衡操作。

通过深入理解 MongoDB Shell 中的数据类型和掌握各种操作技巧，可以更高效地使用 MongoDB 进行数据管理和应用开发。在实际应用中，应根据具体的业务需求和数据特点，灵活运用这些知识，以达到最佳的性能和功能实现。同时，持续关注 MongoDB 的版本更新，了解新的数据类型和操作特性，进一步提升开发和管理效率。