MongoDB 聚合管道

为什么需要聚合

一般查询可以通过 find() 方法，但如果是比较复杂的查询或者数据统计的话，find() 方法可能就无能为力，这时需要聚合（aggregate）。

聚合操作处理数据文档并返回计算结果。聚合操作将来自多个文档的值分组在一起，可以对分组的数据执行各种操作以返回单个结果。

MongoDB 提供了三种执行聚合的方法:

• 聚合管道
• map- reduce 函数
• 单一目的聚合方法

什么是聚合管道（aggregation pipeline）

聚合管道可以对数据文档进行变换和组合。聚合管道是基于数据流概念，数据进入管道经过一个或多个 stage，每个 stage 对数据进行操作（筛选，投射，分组，排序，限制或跳过）后输出最终结果。

聚合管道语法

db.collection.aggregate(pipeline, options)

• pipeline：数组类型

注：聚合管道可以对分片集合进行操作

Pipeline 管道

db.collection.aggregate( [ { <stage> },... ] )

MongoDB 聚合管道由多个 stage 阶段组成。每个 stage 阶段在文档通过管道时转换文档。管道阶段可以在管道中出现多次。

聚合管道原理

db.collection.aggregate([]) 是聚合管道查询使用的方法，参数是数组，每个数组元素就是一个stage，stage 中运用操作符对数据进行处理后再交由下一个stage，直到没有下个stage，就输出最终的结果，而数据的处理则是通过使用管道操作符。

什么是管道操作符

mongoDB 有 4 类操作符用于文档的操作（操作符以 $ 开头）

• 查询操作符
• 更新操作符
• 管道操作符（聚合管道中的操作符）
• 查询修饰符

在 aggregate 中每个 stage 可以使用的操作符叫做管道操作符

管道操作符分类

• 阶段操作符（Stage Operators）
• 表达式操作符（Expression Operators）
• 累加器（Accumulators）

阶段操作符

db.collection.aggregate( [ { 阶段操作符：表述 }, { 阶段操作符：表述 }, ... ] )

$match 语法

匹配操作符，用于对文档集合进行筛选

{ $match: { <query> } }

$project 语法

用于重构每一个文档的字段，可以提取字段，重命名字段，甚至可以对原有字段进行操作后新增字段

{ $project: { <specification(s)> } } 

specification 的规则如下：

$addFields 语法

在聚合管道结果添加一些字段信息或者修改字段信息

{ $addField: <document> }

$skip 语法

用于跳过指定数量的文档

{ $skip: <positive integer> }

$limit 语法

用于限制返回文档的数量

{ $limit: <positive integer> }

$count 语法

{ $count: <string> } 

• string：是输出字段的名称，该字段的值为 count。string 必须是非空字符串，不能以 $ 开头，也不能包含 .点字符

$sort 语法

用于根据一个或多个字段对文档进行排序

{ $sort: { <field1>: <sort order>,<field2>: <sort order> ... } }

• 1：升序
• -1：降序

$out 语法

{ $out: "<output-collection>" }

$unwind 语法

用于将数组中的每一个值拆分为单独的文档

{
	$unwind:
	{
		path: <field path>, includeArrayIndex: <string>, 
		preserveNullAndEmptyArrays:<boolean>
	}
 }

• path：字符串类型，数组字段的字段路径，若要指定字段路径，需要在字段名称前加上 $ 符号并将其括在引号内
• includeArrayIndex：可选项，用于保存元素的数组索引的新字段的名称。名称不能以 $ 符号开头
• preserveNullAndEmptyArrays：
  • 如果为 true，如果路径为空、没有数组字段或数组为空，则 $unwind 输出文档
  • 如果为 false，如果路径为空、没有数组字段或数组为空，则 $unwind 不输出文档（默认）

$lookup 语法

用于连接同一个数据库中另一个集合，并获取指定的文档

{
   $lookup:
     {
       from: <collection to join>,
       localField: <field from the input documents>,
       foreignField: <field from the documents of the "from" collection>,
       as: <output array field>
     }
}

$group 语法

用于对文档集合进行分组

{ $group: { _id: <expression>, <field1>: { <accumulator1> : <expression1> }, ... } }

• _id：是必须的，用作分组的依据条件

表达式（Expression）

表达式可以包括字段路径和系统变量、文本、表达式对象和表达式操作符。表达式可以嵌套。

{ <field1>: <expression1>, ... }

• 字段路径表达式：$

• "$<field>” 等价于 “$$CURRENT.<field>”，其中 CURRENT 是一个系统变量，在大多数阶段默认为当前对象的根.

• 聚合表达式使用字段路径访问输入文档中的字段。若要指定字段路径，请使用前缀为$符号字段名的字符串，如果字段在嵌入的文档中，则使用点语法。

• 系统变量表达式：$$系统变量

  • $$CURRENT 表示当前文档

  • $$ROOT 整个文档

• 字面量表达式：返回不需要解析的值。用于聚合管道可解释为表达式的值

• 表达式对象

• 表达式操作符

表达式操作符

表达式操作符主要用于在管道中构建表达式时使用，使用类似于函数那样需要参数，主要用于 $project 操作符中，用于构建表达式，使用方法一般如下：

{ <operator>: [ <argument1>, <argument2> ... ] }
# 或
{ <operator>: <argument> }

表达式操作符分类

• 布尔值操作符（Boolean Operators）
• 集合操作符（Set Operators）
• 比较操作符（Comparison Operators）
• 数学操作符（Arithmetic Operators）
• 字符串操作符（String Operators）
• 文本搜索操作符（Text Search Operators）
• 数组操作符（Array Operators）
• 变量操作符（Variable Operators）
• 字面量操作符（Literal Operators）
• 日期操作符（Date Operators）
• 条件操作符（Conditional Operators）
• 数据类型操作符（Data Type Operators）

累加器（Accumulators）

$avg 语法

{ $avg: [ <expression1>, <expression2>... ] }

$max 语法

{ $max: <expression> }
{ $max: [ <expression1>, <expression2>... ] }

$push 语法

{ $push: <expression> }

$sum 语法

{ $sum: <expression> }

聚合管道优化

聚合管道操作有一个优化阶段，该阶段试图重塑管道以提高性能

管道序列优化

• $project or $addFields） 和 $match 顺序优化

• $sort 和 $match 顺序优化

• $skip 和 $limit 顺序优化

• $project 和 ($skip or $limit) 顺序优化

管道联合优化

• $sort 和 $limit 联合优化

当 $sort 紧邻 $limit 时，优化器可以将 $limit 合并到 $sort 中。这允许 $sort 操作在进行过程中只维护顶部的 n 个结果，其中 n 是指定的限制，MongoDB 只需要在内存中存储 n 个条目。

• $limit 和 $limit 联合优化

当一个 $limit 紧接另一个 $limit 之后，这两个阶段可以合并为一个 $limit，其中 $limit 值是两个初始 $limit 值中较小的一个。

• $skip 和 $skip 联合优化

当一个 $skip 紧接着另一个 $skip 时，这两个阶段可以合并为单个 $skip，其中 $skip 量是两个初始 $skip 量的总和。

• $match 和 $match 联合优化

当一个 $match 紧跟在另一个 $match 之后时，这两个阶段可以合并为一个结合了条件和 $and 的单个 $match

• $sort 和 $skip 和 $limit 联合优化

• $limit 和 $skip 和 $limit 和 $skip 联合优化