学习 MongoDB：完整的初学者指南 – wiki基地

学习 MongoDB：完整的初学者指南

在当今数据驱动的世界中，数据库是任何应用程序的核心。在众多数据库类型中，NoSQL 数据库因其灵活性、可扩展性和高性能而变得越来越受欢迎。其中，MongoDB 作为领先的 NoSQL 数据库之一，以其文档模型和强大的功能吸引了无数开发者。

本指南将带你从零开始，全面了解 MongoDB，包括其核心概念、安装、基本操作以及数据建模的最佳实践，助你轻松迈入 MongoDB 的世界。

什么是 MongoDB？

MongoDB 是一个开源的 NoSQL 文档数据库，以其灵活的数据模型而闻名。与传统的关系型数据库（如 SQL）将数据存储在表格中不同，MongoDB 以 BSON（Binary JSON）格式的文档存储数据，这些文档类似于 JSON 对象。这种方式使得它能够轻松处理非结构化和半结构化数据，非常适合现代应用程序的快速迭代开发。

MongoDB 的核心特性：

• 面向文档： 数据以文档形式存储，每个文档都是一个键值对的集合，类似于 JSON 对象。
• 灵活的模式（Schema-less）： 同一集合中的文档可以拥有不同的字段、结构和大小，这意味着你无需预定义严格的表结构。
• 高可用性： 通过副本集（Replica Sets）实现数据冗余和自动故障转移，确保数据始终可用。
• 水平扩展： 利用分片（Sharding）技术，可以将大量数据分布到多台服务器上，以应对海量数据和高并发需求。
• 强大的查询语言： 支持丰富的查询操作，包括范围查询、正则表达式查询以及聚合管道等高级数据处理功能。

MongoDB 核心概念

在深入学习之前，了解 MongoDB 的基本术语至关重要：

• 文档（Document）： MongoDB 的基本数据单元，一个键值对的集合。可以将其理解为关系型数据库中的一行记录，但更为灵活。
  json
{
"name": "Laptop",
"price": 1200,
"category": "Electronics"
}
• 集合（Collection）： 文档的逻辑分组。类似于关系型数据库中的表，但集合不强制执行模式，这意味着一个集合中的文档可以有不同的结构。
• 数据库（Database）： 多个集合的物理容器。一个 MongoDB 实例可以承载多个数据库。
• BSON： MongoDB 内部存储文档的二进制 JSON 格式。它扩展了 JSON，增加了额外的数据类型（如日期、二进制数据）。
• 索引（Indexes）： 提高查询效率的关键。类似于书籍的目录，索引允许 MongoDB 快速定位数据而无需扫描整个集合。
• 副本集（Replica Sets）： 用于实现高可用性和数据冗余的机制。它由一组 MongoDB 实例组成，其中一个为主节点（Primary），负责处理所有写入操作，其他为从节点（Secondaries），复制主节点的数据。
• 分片（Sharding）： 用于处理大规模数据集和高吞吐量的横向扩展方法。它将数据分散存储在多个服务器上，每个服务器只存储数据的一个子集。

MongoDB 安装

MongoDB Community Server 支持多种操作系统。以下是主要平台的安装概述：

1. 下载 MongoDB Community Server

访问 MongoDB 官方网站下载页面，选择适合你操作系统的最新稳定版 Community Server。

2. 操作系统特定安装步骤

Windows：

1. 运行下载的 .msi 安装程序。
2. 选择“完整”安装，并在安装过程中勾选“将 MongoDB 安装为服务”。
3. 可以选择安装 MongoDB Compass（一个图形用户界面工具）。
4. 安装完成后，确保 C:\data\db 目录存在，如果不存在，手动创建。
5. 在 PowerShell 或命令提示符中输入 net start MongoDB 启动 MongoDB 服务。
6. 将 MongoDB 的 bin 目录（例如 C:\Program Files\MongoDB\Server\{版本号}\bin）添加到系统 PATH 环境变量中。
7. 打开新的终端，输入 mongosh 即可连接到 MongoDB shell。

macOS (使用 Homebrew)：

1. 打开终端。
2. 如果未安装 Homebrew，请先安装 Homebrew。
3. 运行 brew tap mongodb/brew 添加 MongoDB 的 Homebrew Tap。
4. 执行 brew install mongodb-community 安装 MongoDB。
5. 通过 brew services start mongodb-community 启动 MongoDB 服务。
6. 在终端中输入 mongosh 连接到 MongoDB shell。

Linux (Ubuntu/Debian)：

1. 打开终端。
2. 导入 MongoDB APT 仓库的公共 GPG 密钥。
3. 将 MongoDB 仓库添加到你的系统源列表。
4. 更新软件包列表：sudo apt update。
5. 安装 MongoDB：sudo apt install -y mongodb-org。
6. 启动 MongoDB 服务：sudo systemctl start mongod。
7. 设置 MongoDB 开机自启：sudo systemctl enable mongod。
8. 在终端中输入 mongosh 连接到 MongoDB shell。

MongoDB CRUD 操作

CRUD 代表创建（Create）、读取（Read）、更新（Update）和删除（Delete），是与数据库交互的四项基本操作。

1. 创建（Insert）文档

向集合中添加新文档。如果集合不存在，MongoDB 会在第一次插入时自动创建它。

• 插入单个文档：db.collection.insertOne()
javascript
db.products.insertOne({
name: "Laptop",
price: 1200,
category: "Electronics",
details: {
brand: "ABC",
weight: "2kg"
}
});
• 插入多个文档：db.collection.insertMany()
javascript
db.products.insertMany([
{ name: "Keyboard", price: 75, category: "Accessories" },
{ name: "Mouse", price: 25, category: "Accessories" }
]);

2. 读取（Query）文档

从集合中检索文档。

• 查找所有文档：db.collection.find({})
javascript
db.products.find({}); // 返回 products 集合中的所有文档

• 根据条件查找文档：db.collection.find({ <query> })
  “`javascript
  // 查找 category 为 ‘Electronics’ 的产品
  db.products.find({ category: “Electronics” });

  // 查找价格大于 100 的产品
  db.products.find({ price: { $gt: 100 } }); // $gt 表示大于
  * **查找单个文档：`db.collection.findOne({ <query> })`**javascript
  // 查找 name 为 ‘Laptop’ 的单个产品
  db.products.findOne({ name: “Laptop” });
  * **投影（Projection）：选择返回的字段**javascript
  // 只返回 name 和 price 字段，并排除默认的 _id 字段
  db.products.find({}, { name: 1, price: 1, _id: 0 });
  “`

3. 更新（Update）文档

修改集合中现有的文档。

• 更新单个文档：db.collection.updateOne({ <filter> }, { <update_operations> })
javascript
// 更新 name 为 'Laptop' 的产品的价格
db.products.updateOne(
{ name: "Laptop" },
{ $set: { price: 1250 } } // $set 操作符用于设置字段值
);
• 更新多个文档：db.collection.updateMany({ <filter> }, { <update_operations> })
javascript
// 将 category 为 'Accessories' 的所有产品的价格提高 10%
db.products.updateMany(
{ category: "Accessories" },
{ $mul: { price: 1.1 } } // $mul 操作符用于乘法更新
);
• 替换单个文档：db.collection.replaceOne({ <filter> }, { <new_document> })
javascript
// 替换 name 为 'Mouse' 的文档
db.products.replaceOne(
{ name: "Mouse" },
{ name: "Gaming Mouse", price: 50, manufacturer: "XYZ" }
);

4. 删除（Delete）文档

从集合中移除文档。

• 删除单个文档：db.collection.deleteOne({ <filter> })
javascript
// 删除 name 为 'Gaming Mouse' 的文档
db.products.deleteOne({ name: "Gaming Mouse" });
• 删除多个文档：db.collection.deleteMany({ <filter> })
javascript
// 删除所有 category 为 'Accessories' 的文档
db.products.deleteMany({ category: "Accessories" });

MongoDB 数据建模

数据建模在 MongoDB 中至关重要，它直接影响应用程序的性能和可维护性。由于其灵活的模式，正确地设计数据结构能够最大限度地发挥 MongoDB 的优势。

核心原则：

• 将共同访问的数据存储在一起： 如果数据经常一起被查询，那么将它们嵌入到同一个文档中通常是最佳选择，以减少查询次数。
• 针对应用程序的访问模式进行优化： 你的数据模型应该根据应用程序如何查询和使用数据来设计。

数据建模技术：

1. 嵌入（Embedding / Denormalization）：
   将相关的子文档直接嵌套在父文档中。适用于：

   • 一对一或一对少关系： 当子文档与父文档紧密相关且数量不多时。
   • 频繁一起读取的数据： 嵌入可以减少查询次数，提高读取性能。
   • 示例： 将用户的地址信息直接嵌入到用户文档中。
     json
{
"_id": ObjectId("..."),
"name": "Alice",
"email": "[email protected]",
"address": {
"street": "123 Main St",
"city": "Anytown",
"zip": "12345"
}
}

2. 引用（Referencing / Normalization）：
   通过存储其他文档的 _id 来建立文档之间的关联。适用于：

   • 一对多或多对多关系： 当关联的数据量较大或需要独立更新时。
   • 不经常一起读取的数据： 可以避免文档过大。

   • 示例： 用户文档引用多个订单文档的 _id。
     “`json
     // User 文档
     {
     “_id”: ObjectId(“user123”),
     “name”: “Bob”,
     “email”: “[email protected]”,
     “orders”: [
     ObjectId(“orderA1”),
     ObjectId(“orderB2”)
     ]
     }

     // Order 文档
     {
     “_id”: ObjectId(“orderA1”),
     “item”: “Product X”,
     “quantity”: 1
     }
     “`

3. 混合方法：
   结合嵌入和引用的优点，根据具体场景进行混合设计。例如，可以嵌入一些经常需要的信息，同时引用其他更详细或不常用的信息。

数据建模最佳实践：

• 规划并迭代： 尽管 MongoDB 模式灵活，但早期规划数据结构仍然很重要。随着项目发展，逐步迭代和优化模型。
• 明智地使用索引： 在经常查询、排序或用于过滤的字段上创建索引，以提高查询速度。
• 避免过度嵌套： 尽管嵌入很强大，但过深的嵌套（例如超过 3 层）会使查询复杂化并可能影响性能。
• 文档大小限制： MongoDB 的单个文档大小限制为 16MB。确保你的嵌入文档不会超出此限制。
• 考虑数据一致性： 决定是通过应用程序逻辑还是 MongoDB 的模式验证规则来强制执行数据一致性。
• 为读密集型应用去范式化，为写密集型应用范式化： 如果你的应用程序读取数据远多于写入数据，去范式化（嵌入）可以提高读取性能。如果更新频繁，范式化（引用）可能更好。

总结

MongoDB 凭借其灵活的文档模型、高可用性和可扩展性，成为了现代应用程序开发的强大工具。通过本指南的学习，你现在应该对 MongoDB 的核心概念、安装过程、基本 CRUD 操作以及数据建模策略有了全面的了解。

从这里开始，你可以尝试构建自己的应用程序，使用 MongoDB 存储和管理数据，并通过实践进一步掌握这个强大的 NoSQL 数据库！