MongoDB 入门指南：核心概念与基础操作 – wiki基地

作者： /

MongoDB 入门指南：核心概念与基础操作

随着大数据时代的到来，传统的关系型数据库（如 MySQL, PostgreSQL）在处理非结构化或半结构化数据、应对高并发读写以及实现水平扩展等方面面临挑战。正是在这样的背景下，NoSQL 数据库应运而生，而 MongoDB 作为其中最受欢迎的文档型数据库，凭借其灵活的架构、高性能和易于扩展的特性，成为了许多现代应用的首选数据库。

本文将带你深入了解 MongoDB 的核心概念，并学习如何进行基本的数据操作，为你开启 MongoDB 之旅。

第一部分：认识 MongoDB – 它是什么？为什么选择它？

1. 什么是 MongoDB？

MongoDB 是一个开源的、高性能的、无模式（Schema-free）的文档型数据库。它属于 NoSQL（Not Only SQL）数据库的一种。与关系型数据库将数据存储在固定结构的表中不同，MongoDB 将数据存储在灵活的文档中，这些文档以 BSON 格式表示（一种 JSON 的二进制表示形式）。

2. 为什么选择 MongoDB？

  • 灵活的文档模型： 这是 MongoDB 最核心的特点。文档结构灵活，同一集合中的文档可以有不同的字段，这使得数据模型的设计和迭代更加容易，特别适合处理多变的数据类型或快速变化的需求。
  • 高性能： MongoDB 设计用于高性能的数据操作，支持内存计算（working set fits in RAM），并通过索引、查询优化等方式提供快速的读写能力。
  • 高可用性： 通过副本集（Replica Set），MongoDB 可以实现数据的冗余备份和自动故障转移，确保数据库的高可用性。
  • 易于扩展： 通过分片（Sharding），MongoDB 可以将数据分布到多个服务器上，实现水平扩展，轻松应对大数据量和高并发访问的需求。
  • 丰富的查询语言： MongoDB 提供了强大且富有表现力的查询语言，支持各种数据查询、过滤、排序、聚合等操作。
  • 社区活跃： MongoDB 拥有庞大的开发者社区和丰富的文档资源，遇到问题时很容易找到解决方案。

3. MongoDB 与关系型数据库的对比

特性 关系型数据库 (SQL) MongoDB (NoSQL – Document)
数据模型 表、行、列、模式固定 集合、文档、字段、无模式
模式（Schema） 严格固定，需提前定义 灵活，文档结构可变
数据结构 行（扁平结构），需通过 JOIN 连接 文档（嵌套结构），可包含子文档和数组
查询语言 SQL 基于 JSON 的查询语言
扩展性 垂直扩展为主，水平扩展复杂 原生支持水平扩展（分片）
事务支持 强事务支持（ACID） 支持跨文档事务（版本 4.0+）
数据关联 通过外键 JOIN 通过嵌套文档或引用

理解这些差异是学习 MongoDB 的关键。文档模型允许你在一个文档中存储相关的数据，减少了传统数据库中常见的 JOIN 操作，从而提高了查询效率。

第二部分：MongoDB 的核心概念

深入了解 MongoDB 之前，必须掌握以下几个核心概念：

1. 数据库 (Database)

数据库是 MongoDB 的顶层容器。它是一个物理文件目录的逻辑分组，包含一个或多个集合。在 MongoDB 中，一个运行的实例可以管理多个数据库。你可以为每个应用程序或每个环境（如开发、测试、生产）创建一个独立的数据库。

2. 集合 (Collection)

集合是 MongoDB 中文档的组。它类似于关系型数据库中的“表”。然而，集合与表的最大区别在于，集合是“无模式”的。这意味着同一集合中的文档可以有不同的字段结构，尽管通常情况下，出于查询和管理的便利性，我们会倾向于保持同一集合中的文档结构相似。

3. 文档 (Document)

文档是 MongoDB 中的核心数据单元，类似于关系型数据库中的“行”。一个文档是由字段（field）和值（value）组成的键值对集合。字段是字符串类型的名称，值可以是各种数据类型，包括：

  • 字符串 (String)
  • 数字 (Integer, Double, Decimal128)
  • 布尔值 (Boolean)
  • 数组 (Array)
  • 内嵌文档 (Embedded Document / Nested Document)
  • Null
  • 日期 (Date)
  • 二进制数据 (Binary data)
  • ObjectID (特殊的 12 字节 ID)
  • JavaScript 代码
  • 时间戳 (Timestamp)
  • 正则表达式 (Regular Expression)

文档结构示例：

json
{
"_id": ObjectId("60c72b2f9f1b2c001c8e4d3a"), // 每个文档都有一个唯一的 _id
"name": "张三",
"age": 30,
"isStudent": false,
"courses": ["数学", "物理", "化学"], // 数组
"address": { // 内嵌文档
"city": "北京",
"zip": "100000"
},
"createdAt": ISODate("2023-10-27T10:00:00Z")
}

_id 字段： 每个 MongoDB 文档都包含一个唯一的 _id 字段作为其主键。如果插入文档时没有指定 _id，MongoDB 会自动生成一个 ObjectId 作为其 _id。ObjectId 是一个 12 字节的 BSON 类型，通常由时间戳、机器 ID、进程 ID 和一个计数器组合而成，保证了全局唯一性。

4. 字段 (Field)

字段是文档中的键，表示文档的一个属性。字段名是字符串。

5. 内嵌文档 (Embedded Document)

内嵌文档是将一个文档作为另一个文档的值。这是一种将一对一或一对多的关系建模在单个文档中的方式，可以减少查询时对多个集合的连接操作，提高读取性能。

示例中的 "address": { "city": "北京", "zip": "100000" } 就是一个内嵌文档。

6. 数组 (Array)

数组是一个字段的值包含多个元素的列表。数组中的元素可以是不同的数据类型，包括其他内嵌文档。这非常适合存储一对多关系中“多”的部分，比如一个用户拥有的多个邮箱地址，或者一本书的多个标签。

示例中的 "courses": ["数学", "物理", "化学"] 就是一个数组。

核心总结： MongoDB 的层级结构是 Database -> Collection -> Document -> Field。文档是基本单位，其灵活的结构是 MongoDB 的最大特点。

第三部分：安装与连接 MongoDB

在进行基础操作之前，你需要先安装并启动 MongoDB 服务器。安装过程因操作系统而异，可以参考 MongoDB 官方文档进行（搜索 “Install MongoDB Community Edition”）。

安装完成后，你可以通过命令行工具 mongo 或 mongosh（推荐）连接到 MongoDB 服务器。

启动 MongoDB 服务后，打开终端或命令提示符，输入 mongosh 并回车。如果连接成功，你将看到 MongoDB 的 shell 提示符。

bash
$ mongosh
Current Mongosh version is 2.0.1
Connecting to: mongodb://127.0.0.1:27017/?directConnection=true&serverSelectionTimeoutMS=2000&appName=mongosh+2.0.1
MongoServerError: Authentication failed.

如果出现认证失败，可能是因为你的 MongoDB 启用了认证。如果只是学习，可以在测试环境中暂时禁用认证。

连接成功后，你可以使用以下基本命令：

  • show dbs;：显示所有数据库。
  • use <database_name>;：切换到或创建一个数据库。如果数据库不存在，会在你第一次向其中插入数据时自动创建。
  • db;：显示当前所在的数据库。
  • show collections;：显示当前数据库中的所有集合。

例如：

“`javascript

show dbs;
admin 40.00 KiB
config 74.00 KiB
local 40.00 KiB
use myNewDatabase; // 切换到 myNewDatabase 数据库
switched to db myNewDatabase
db; // 查看当前数据库
myNewDatabase
show collections; // 目前还没有集合

“`

第四部分：MongoDB 基础操作 (CRUD)

CRUD 是指 Create（创建）、Read（读取）、Update（更新）和 Delete（删除），是数据库操作的核心。我们将在 mongosh 中进行这些操作。

假设我们正在使用 myNewDatabase 数据库，并将在一个名为 students 的集合中操作。

1. 创建 (Create) / 插入 (Insert)

向集合中添加新文档。

  • insertOne()： 插入一个文档。

    javascript
    db.students.insertOne({
    name: "李四",
    age: 25,
    major: "计算机科学",
    gpa: 3.8,
    enrollmentDate: new Date(),
    courses: ["数据结构", "算法", "数据库原理"]
    });
    执行后，会返回一个包含插入文档 ID 的结果对象。

  • insertMany()： 插入多个文档。需要传入一个文档数组。

    javascript
    db.students.insertMany([
    {
    name: "王五",
    age: 22,
    major: "软件工程",
    gpa: 3.9,
    enrollmentDate: new Date(),
    courses: ["操作系统", "计算机网络"]
    },
    {
    name: "赵六",
    age: 24,
    major: "数学",
    gpa: 3.5,
    enrollmentDate: new Date(),
    courses: ["高等数学", "线性代数", "概率论"]
    }
    ]);
    执行后，会返回一个包含所有插入文档 ID 的结果对象。

当你第一次向 students 集合插入文档时，如果 students 集合不存在，MongoDB 会自动创建它。

2. 读取 (Read) / 查询 (Query)

从集合中检索文档。这是最复杂但也最常用的操作。使用 find() 和 findOne() 方法。

  • find()： 查找满足条件的所有文档。

    • db.students.find({})：查找 students 集合中的所有文档。空对象 {} 表示没有查询条件。
    • db.students.find({ name: "李四" })：查找 name 字段为 “李四” 的文档。
    • db.students.find({ age: 25, major: "计算机科学" })：查找 age 为 25 且 major 为 “计算机科学” 的文档。多个条件默认是逻辑与 (AND)。
    • db.students.find({ age: { $gt: 23 } })：查找 age 大于 23 的文档。$gt 是比较运算符 (Greater Than)。其他常用的比较运算符有 $lt (小于), $gte (大于等于), $lte (小于等于), $ne (不等于)。
    • db.students.find({ courses: "数据库原理" })：查找 courses 数组中包含 “数据库原理” 的文档。
    • db.students.find({ "address.city": "北京" })：查找内嵌文档 address 中 city 字段为 “北京” 的文档。注意需要使用点表示法 (.) 访问内嵌文档的字段。

  • findOne()： 查找满足条件的 第一个 文档。

    • db.students.findOne({ major: "计算机科学" })：查找 major 为 “计算机科学” 的第一个文档。
    • db.students.findOne({})：查找集合中的第一个文档。

更高级的查询：

  • 逻辑 OR 查询 ($or)： 查找满足多个条件中 任意一个 的文档。
    javascript
    db.students.find({ $or: [{ age: { $lt: 23 } }, { major: "数学" }] }); // 查找年龄小于 23 或专业是数学的学生

  • 查询数组元素 ($in, $all)：

    • db.students.find({ courses: { $in: ["数据结构", "操作系统"] } })：查找 courses 数组包含 “数据结构” 或 “操作系统” 任一 元素的文档。
    • db.students.find({ courses: { $all: ["数据结构", "算法"] } })：查找 courses 数组 同时 包含 “数据结构” 和 “算法” 的文档。

  • 查询数组长度 ($size)：
    javascript
    db.students.find({ courses: { $size: 3 } }); // 查找课程数量为 3 的学生

  • 投影 (Projection)： 指定查询结果中包含哪些字段。在 find() 的第二个参数中指定。1 表示包含，0 表示排除。_id 字段默认包含，除非明确排除。

    javascript
    db.students.find({}, { name: 1, major: 1, _id: 0 }); // 查找所有学生，只显示 name 和 major 字段，不显示 _id
    db.students.find({ age: { $gt: 23 } }, { name: 1, gpa: 1 }); // 查找年龄大于 23 的学生，显示 name 和 gpa 字段

  • 排序 (Sort)： 对查询结果进行排序。使用 .sort() 方法链式调用。传入一个排序文档，字段值为 1 表示升序，-1 表示降序。

    javascript
    db.students.find().sort({ age: 1 }); // 按年龄升序排序
    db.students.find({ major: "计算机科学" }).sort({ gpa: -1 }); // 查找计算机科学专业的学生，按 gpa 降序排序

  • 分页 (Limit and Skip)： 控制返回结果的数量和起始位置。常用于分页显示。

    javascript
    db.students.find().limit(5); // 只返回前 5 个文档
    db.students.find().skip(5); // 跳过前 5 个文档，返回从第 6 个开始的文档
    db.students.find().sort({ name: 1 }).skip(10).limit(10); // 按姓名升序排序，获取第 11 到 20 个文档（第二页，每页 10 个）

  • 组合查询： 可以将上述方法链式组合使用。顺序通常是 find() -> sort() -> skip() -> limit()。

    javascript
    db.students.find({ age: { $gte: 20 } }, { name: 1, age: 1 }).sort({ age: 1 }).limit(10);

3. 更新 (Update)

修改集合中的现有文档。使用 updateOne() 和 updateMany() 方法。

  • updateOne()： 更新满足条件的 第一个 文档。需要传入两个参数：查询条件和更新操作。

    javascript
    db.students.updateOne(
    { name: "李四" }, // 查询条件
    { $set: { gpa: 3.9, isStudent: true } } // 更新操作：使用 $set 运算符设置字段值
    );
    常用的更新运算符：
    * $set: 设置字段值。如果字段不存在则创建。
    * $inc: 增加数字字段的值。
    * $unset: 删除字段。
    * $push: 向数组字段添加元素。
    * $addToSet: 向数组字段添加元素，但只在元素不存在于数组中时添加。
    * $pull: 从数组字段中删除匹配特定条件的元素。

    示例：使用 $inc 增加年龄，使用 $push 添加课程。
    javascript
    db.students.updateOne(
    { name: "王五" },
    { $inc: { age: 1 }, $push: { courses: "人工智能" } }
    );

  • updateMany()： 更新满足条件的所有文档。

    javascript
    db.students.updateMany(
    { major: "计算机科学" }, // 查询条件
    { $set: { department: "信息科学与工程学院" } } // 更新操作
    );

    注意：如果不使用更新运算符（如 $set），直接提供一个文档作为更新操作，例如 db.students.updateOne({ name: "李四" }, { name: "李四新" })，那么匹配到的文档会被 完全替换 为新的文档（除了 _id ）。这通常不是期望的行为，所以强烈建议使用更新运算符进行局部更新。

4. 删除 (Delete)

从集合中删除文档。使用 deleteOne() 和 deleteMany() 方法。

  • deleteOne()： 删除满足条件的 第一个 文档。

    javascript
    db.students.deleteOne({ name: "赵六" }); // 删除 name 为 赵六 的第一个文档

  • deleteMany()： 删除满足条件的所有文档。

    javascript
    db.students.deleteMany({ age: { $lt: 20 } }); // 删除所有年龄小于 20 的学生文档
    db.students.deleteMany({}); // 删除集合中的所有文档 (清空集合)

其他基本操作：

  • 删除集合： db.collection_name.drop()
    javascript
    db.students.drop(); // 删除 students 集合
  • 删除数据库： db.dropDatabase()
    javascript
    use myNewDatabase;
    db.dropDatabase(); // 删除当前数据库 myNewDatabase

第五部分：进阶之路（简要提及）

掌握了核心概念和基础 CRUD 操作后，你的 MongoDB 学习之路才刚刚开始。以下是一些重要的进阶方向：

  • 索引 (Indexes)： 就像书籍的索引一样，索引可以极大地提高查询效率。你需要理解如何创建不同类型的索引（单字段索引、复合索引、文本索引、地理空间索引等）以及何时使用它们。
  • 聚合框架 (Aggregation Framework)： 用于执行更复杂的数据处理任务，如分组、过滤、转换和分析数据。它类似于 SQL 的 GROUP BY、JOIN、HAVING 等操作，但功能更加强大和灵活，通过管道（pipeline）的方式处理数据。
  • 副本集 (Replica Sets)： 实现数据的高可用性和冗余备份。学习如何搭建和管理副本集是确保应用健壮性的关键。
  • 分片 (Sharding)： 实现数据的水平扩展，处理超大数据集和高吞量。学习如何配置分片集群，理解分片键的选择。
  • 数据模型设计 (Data Modeling)： MongoDB 的灵活性意味着有多种方式来建模数据关系（内嵌文档、引用）。理解不同建模方式的优缺点，根据应用场景选择最合适的设计。
  • 安全性 (Security)： 学习如何启用认证、授权，配置网络访问规则，加密数据等，保护你的数据库安全。
  • 监控与维护 (Monitoring and Maintenance)： 学习如何监控 MongoDB 实例的性能，进行备份和恢复，以及常规的维护任务。

结语

恭喜你迈出了学习 MongoDB 的第一步！本文详细介绍了 MongoDB 的核心概念——数据库、集合、文档、字段，以及最基础和重要的 CRUD 操作。这些是构建和管理 MongoDB 应用的基石。

MongoDB 凭借其灵活的文档模型、高性能和易于扩展的特性，已成为现代 Web 应用、移动应用、大数据平台等众多场景的强大数据存储解决方案。

入门阶段最重要的就是多动手实践。请在你的环境中安装 MongoDB，打开 mongosh，按照本文的示例一步步操作，亲手体验文档的增删改查。熟练掌握这些基本功后，再逐步深入学习索引、聚合、复制集、分片等高级特性，你将能够充分发挥 MongoDB 的强大能力，为你的应用程序提供可靠、高效的数据支持。

祝你在 MongoDB 的学习旅程中一切顺利！

发表评论

您的邮箱地址不会被公开。 必填项已用 * 标注

滚动至顶部