目录
- 聚合管道
- 管道阶段
- 常见操作
- 更多操作 – 投影
- 更多操作 – 展开
- 更多操作 – 分组
- 更多操作 – 入库
- 条件组累加器
- 算术运算
- 最值运算
- 数组提取
- 其他运算
聚合管道
聚合框架是 MongoDB 中的一组分析工具，可以对一个或多个集合中的文档进行分析。
MongoDB 的聚合框架基于管道的概念：首先从集合中获取到输入，然后将输入的文档传递到一个或多个阶段，每个阶段都将之前阶段输出的内容作为输入，最终得到一个聚合结果作为输出。
上面的图是一个比较宽泛的管道流程图。这里展示一个 MongoDB 聚合语句映射到管道之后的情况：
在这里可以看得出，aggregate([{}, {}])是一个聚合语句，在函数的数组中，每一个对象都是一个阶段，$match应该就是一个筛选文档的阶段，$group应该就是一个分组汇总的阶段。
管道阶段
使用聚合框架最重要的就是熟悉操作的语法，以及将这些语法构建成管道当中的阶段。
在 MongoDB 聚合框架中，每一个阶段都必须要规定一个特定的阶段运算符，这些阶段运算符表明了阶段的执行规则，可以到官方文档上查看更多、更详细的内容。
常见操作
最常见的操作应该是能与普通查询语句对应上的操作，如查询、投影、排序、跳过、限制等等。虽然这些在一个find()语句中就能实现。
最常使用的操作就是查询，也可以说是筛选、过滤，在聚合框架中使用$match来表明这是一个筛选文档的阶段。如下是其使用语法：
{ $match: { <query> } }
第二个则是投影，这个阶段可以修改输入文档的结构，通常是重命名、增加、删除属性，也可以通过表达式创建计算结果以及嵌套文档。如下是其使用语法：
// <field>: <1 or true>
// <field>: <0 or false>
// <field>: <expression>
{ $project: { <specification(s)> } }
排序、跳过、限制都比较容易理解，实际上可以与find()结果的游标支持的函数做联系。如下是其使用语法：
// 排序
{ $sort: { <field1>: <sort order>, <field2>: <sort order> … } }
// 跳过
{ $skip: <positive 64-bit integer> }
// 限制
{ $limit: <positive 64-bit integer> }
上述 5 个阶段是最常用的阶段，在使用时需要注重它们的效率，一般会使用这样的顺序去构建管道：
- 通过筛选语句过滤指定集合，得到符合要求的文档列表；
- 如果排序非常重要，这一个阶段需要在过滤文档之后；
- 如果需要做分页功能，应该是先执行跳过的阶段，然后再到限制的阶段；
- 最后，执行投影阶段（进入投影阶段的文档应该尽量少）。
更多操作 – 投影
投影阶段一个比较大的作用就是，限制下一步的文档字段数量，也就是删除属性，如下是使用方式：
// 不返回 _id 字段
{ $project: { _id: 0 } }
// 不返回指定的 field 字段
{ $project: { <field>: 0 } }
删除属性是黑名单的功能，投影阶段也支持白名单的功能，即返回列表内的字段，如下是使用方式：
// 返回指定的 field 字段
{ $project: { <field>: 1 } }
前两个功能是比较好理解的，但投影阶段所能做的远不止如此，还有很多其他的功能（投影阶段支持大部分条件组），这里做个简单举例：
// 将 author 嵌套文档下 last 属性赋值给 lastName 属性
{ $project: { lastName: \”$author.last\” } }
// 上述的功能里，对于嵌套文档和内嵌数组返回的结果是不一样的，数组会继承下来
// 投影支持类似于三元运算的表达式
{ $project: { lastName: {
$cond: {
if: { $eq: [ \”\”, \”$author.last\” ] },
then: \”$$REMOVE\”,
else: \”$author.last\”,
}
} } }
更多操作 – 展开
在处理数组时，一个比较常见的操作是为数组中的每一个元素形成一个输出文档。
一个实际的例子就是，一件衣服在库存中有 S、M、L 三个尺寸，而这三个尺寸会存储在同一个数组字段当中，当我们聚合时想要将这一条文档展开成三个文档，一个尺寸对应一个文档。
// 原始文档
{
\”clothesId\”: \”123456\”,
\”sizeList\”: [\”S\”, \”M\”, \”L\”]
}
// 展开后的文档
{
\”clothesId\”: \”123456\”,
\”sizeList\”: \”S\”
}
{
\”clothesId\”: \”123456\”,
\”sizeList\”: \”M\”
}
{
\”clothesId\”: \”123456\”,
\”sizeList\”: \”L\”
}
聚合过程中，展开阶段的语法是：
{ $unwind: <field path> }
// 上述衣服的例子中，可以用以下语句来展开
{ $unwind: \”$sizeList\” }
更多操作 – 分组
分组是聚合管道中举足轻重的一个阶段，这里的分组可以看作是 SQL 的GOURP BY语句，其能为聚合功能带来非常大的可能性。
分组阶段使用了$group运算符，支持使用一个键或多个键将输入的文档进行分组，其语法如下：
{
$group: {
// 分组的标识
_id: <expression>,
<field1>: { <accumulator1> : <expression1> },
…
}
}
其中_id是必须的，可以简单指定分组的键，也可以使用条件组做处理后生成自定义键。
可选的<field>是分组后需要展示的键，并且可以指定条件组来决定它们的值是什么。
尤其是，MongoDB 提供了累加器可以实现复杂的功能，如求和、平均值、最大值、最小值等等。
这里有个对集合求和的例子，也是最简单的使用：
{
$group: {
// 对类型进行分组
_id: \”type\”,
// 这里是求和，一个文档记作 1 个，即对同类型的文档进行计数
count: { $sum: 1 },
}
}
更多操作 – 入库
顾名思义，入库需要作为管道中最后的阶段，将管道生成的文档写入集合中。
聚合框架提供了$out和$merge两个运算符标识入库阶段，其中$merge是在 4.2 版本中引入的。这两个操作符的语法如下：
// 指定数据库和集合，会直接覆盖
{ $out: { db: \”<output-db>\”, coll: \”<output-collection>\” } }
// 配置更加丰富
{ $merge: {
// 指定数据库和集合
into: <collection> -or- { db: <db>, coll: <collection> },
// 确定唯一标识与集合中做匹配
on: <identifier field> -or- [ <identifier field1>, …], // Optional
// 设定变量
let: <variables>, // Optional
// 如果标识存在时处理文档的方式
whenMatched: <replace|keepExisting|merge|fail|pipeline>, // Optional
// 如果标识不存在时处理文档的方式
whenNotMatched: <insert|discard|fail> // Optional
} }
如果可以的话，建议使用$merge作为写入集合的首选方式，其功能更多。
当然，其真正的优势是，可以按照按需生成的物化视图（materialized view），在管道运行的阶段，输出到集合的内容会进行增量更新。
条件组累加器
在一些阶段操作中，MongoDB 支持使用累加器来增强聚合功能，这里说的累加器泛指求和、平均值、最大值、最小值等功能的操作符。
算术运算
这里的算术运算不是统称的四则运算，指的是与数学相关的运算，如平均值、求和等。
$avg累加器用于计算平均值，通过是直接指定一个键名即可，使用{ $avg: "$keyName" }这样的语法。
$sum累加器用于计算指定键的和，也是直接指定一个键名即可，使用{ $sum: "$keyName" }这样的语法。
最值运算
累加器支持的最值包括这些：最小值、最大值、最大的 n 个值。
最小值和最大值的理解都比较容易，使用也比较容易。最小值使用了{ $min: "$keyName" }这样的语法，最大值使用了{ $max: "$keyName" }这样的语法。
最大的 n 个值是在 5.2 版本新增的累加器，其作用是通过指定输入的键，得到这些键值中排序后最大的 n 个值，其语法如下：
{
$maxN: {
// 指定键名 input: \”$score\”
input: <expression>,
// 指定数量 n: 3
n: <expression>
}
}
数组提取
这里的数组提取指的是提取数组中的某个元素，现在能支持到的就是提取出数组中的前 n 个元素、后 n 个元素。
在这里可以使用$first、$firstN、$last、$lastN这样的运算符，它们的语法分别如下：
{ $first: <expression> }
{
$firstN: {
input: <expression>,
n: <expression>
}
}
{ $last: <expression> }
{
$lastN: {
input: <expression>,
n: <expression>
}
}
其他运算
除了上述的累加器，聚合框架还有非常多其他的累加器，这里简单列一下：
- $accumulator: 返回自定义累加器函数的结果
- $addToSet: 返回一个无重复值的数组
- $bottom: 返回指定排序规则后最后 1 个元素
- $bottomN: 返回指定排序规则后最后 n 个元素
- $count: 返回文档的计数
- $mergeObjects: 返回合并多个对象之后的结果
- $push: 返回一个可以有重复值的数组
- $stdDevPop: 返回输入值的总体标准差
- $stdDevSamp: 返回输入值的样本标准差
这些累加器都有各自的用法，使用得当可实现非常强大的数据分析功能，完整的内容可以到官方文档上查看。
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