MongoDB系列教程-第二章：MongoDB数据库概念和特点、数据库操作、集合操作、文档操作、规范及常见问题解决、实际应用示例

📖 第二章：MongoDB数据库概念和特点、数据库操作、集合操作、文档操作、规范及常见问题解决、实际应用示例

2.1 数据库概念及MongoDB数据库的特点

数据库就像一个巨大的文件柜，里面有很多抽屉（数据库），每个抽屉里有很多文件夹（集合），文件夹里存放着各种文件（文档）。在MongoDB中，数据库就是用来组织和存储相关数据的容器。

MongoDB数据库的特点：

1. 自动创建
   MongoDB有一个非常方便的特性：当你第一次向一个不存在的数据库插入数据时，它会自动创建这个数据库。这就像你第一次往一个新抽屉里放东西时，抽屉会自动出现一样。

2. 无需预定义结构
   与传统数据库不同，MongoDB不需要预先定义表结构，你可以随时添加新的字段，就像在文件夹里随时添加新的文件一样。

2.2 MongoDB数据库操作指令

• use ：指定某个数据库（该数据库不存在，MongoDB将自动创建它）。
• show dbs：查看所有数据库。
• db：查看当前数据库。
• db.stats()：查看数据库统计信息。
• db.getName()：查看数据库名称。
• db.runCommand({dbStats: 1, scale: 1024}) ：查看数据库大小，以KB为单位。
• db.copyDatabase("source_db", "target_db", "localhost:27017")：复制数据库：source_db（源数据库）→ target_db（目标数据库）。
  • 第一个参数 “source_db”：源数据库名称（要复制的数据库）。
  • 第二个参数 “target_db”：目标数据库名称（复制后生成的新数据库）。
  • 第三个参数 “localhost:27017”：源数据库所在的服务器地址（这里是本地默认端口，若源数据库在远程服务器，需填写 ip:port）。
  • 执行后，MongoDB 会将 "source_db “中的所有集合、文档、索引完整复制到"target_db”，两个数据库成为独立副本（后续修改源数据库不会影响目标数据库）。
  • 若 “target_db” 已存在，复制会失败，需先删除目标数据库或更换名称。
  • 适合快速创建测试环境副本、临时备份小型数据库，不建议用于超大型数据库（可能导致性能下降）。
• db.dropDatabase()：删除当前数据库（包含所有集合），删除后常使用show dbs来验证删除。
• 数据库维护，示例：

// 修复数据库
use myapp
db.repairDatabase()

// 验证数据库
db.runCommand({validate: "users"})

// 压缩数据库
db.runCommand({compact: "users"})

2.3 MongoDB集合操作指令

指定数据库之后，针对集合操作：

• show collections：查看当前数据库的所有集合，或者使用show tables。
• db.集合名字.stats()：查看集合统计。
• db.集合名字.insertOne()：向数据库指定名字的集合中插入一条数据（文档），如果没有这个集合的话插入数据的时候会自动创建，其中的db.集合名字表示当前数据库中的指定名字的那个集合。
  • 常见的db.admins.insertOne()中的users 只是一个常见的集合命名（用于存储普通用户数据）。
  • 想存储管理员用户，可以命名集合为 admins，即使用db.admins.insertOne()。
  • 再比如，存储第三方登录用户，可以命名为 oauth_users，即使用db.oauth_users.insertOne()。
• db.集合名字.insertMany()：向数据库指定名字的集合中插入多条数据（文档），没有集合会自动创建。
• db.集合名字.find()：查看集合中的数据。
• db.集合名字.drop() ：删除指定集合名字的集合，.drop() 是删除集合的核心方法，执行后集合的所有数据（文档、索引）会被永久删除，释放磁盘空间。删除集合需注意：
  • 使用之前必须确定清楚集合所在的数据库并使用use切换进去，再删除，否则会默认操作当前数据库，可能导致找不到目标集合。
  • 不可逆性：删除集合后，其中的文档和索引无法恢复，建议操作前备份重要数据。
  • 权限要求：执行删除操作的用户需具备集合的 drop 权限（通常是数据库的 readWrite 或更高权限）。
  • 返回值含义：返回 true 表示删除成功；返回 false 通常是因为集合不存在或无权限。
• db.createCollection("集合名字")：显式创建集合。
• db.createCollection(name, options)：创建带选项的集合。
  • name：字符串，必选，指定集合名称。
  • options：对象，可选，配置集合的特殊属性。例如可以指定capped、size、max、autoIndexId、validator等参数。MongoDB 中 db.createCollection() 方法的所有常用配置参数，汇总如下：

参数说明：

1. capped: true
   • 核心开关：设置为 true 时，集合成为固定大小集合（容量和数量受限，满了会自动覆盖旧数据）。
   • 固定集合的特性：
     • 容量固定，写入顺序严格按照插入顺序（类似日志文件的 “先进先出”）。
     • 不支持删除单个文档（只能清空整个集合），也不允许修改文档大小（避免破坏存储结构）。
     • 读取效率极高，适合存储日志、监控数据等按时间顺序写入和查询的场景。
2. size: 100000
   • 单位：字节（Byte），此处 100000 表示 100KB。
   • 作用：限制集合的最大存储空间。当集合占用的磁盘空间达到 100KB 时，新写入的文档会自动覆盖最旧的文档。
   • 注意：size 是固定集合（ capped为true）的必选参数（即使设置了 max，也必须指定 size）。
3. max: 1000
   • 单位：文档数量，此处表示最多存储 1000 个文档。
   • 作用：限制集合能存储的最大文档数量。当文档数量达到 1000 个时，新写入的文档会自动覆盖最旧的文档。
   • 优先级：size 和 max 同时设置时，哪个条件先满足就触发覆盖（例如，若 1000 个文档的总大小未达 100KB，则按数量限制；若未到 1000 个文档但总大小达 100KB，则按空间限制）。
4. autoIndexId（索引相关）
   • 类型：布尔值（默认 true）。
   • 作用：是否自动为 _id 字段创建索引。
   • 示例：{ autoIndexId: false } 表示不自动创建 _id 索引（不推荐，可能影响查询效率）。
5. validator（验证规则（数据校验））
   • 类型：文档（查询表达式）。
   • 作用：定义文档插入 / 更新时的验证规则，不符合规则的操作会被拒绝。
   • 示例：要求插入的文档必须包含 email 字段且格式符合邮箱规则：

db.createCollection("users", {
  validator: {
    $and: [
      { email: { $exists: true } },  // 必须存在email字段
      { email: { $regex: /@/ } }     // email格式需包含@
    ]
  }
})

6. validationLevel
   • 类型：字符串（默认 strict）。
   • 作用：指定验证严格程度：
     • strict：对所有插入 / 更新操作进行验证（默认）。
     • moderate：仅对新插入的文档和修改过的现有文档进行验证。
7. validationAction
   • 类型：字符串（默认 error）。
   • 作用：验证失败时的处理方式：
     • error：直接拒绝不符合规则的操作（默认）。
     • warn：允许操作，但记录警告日志。
8. storageEngine
   • 类型：文档。
   • 作用：为集合指定特定的存储引擎配置（需数据库支持多存储引擎）。
   • 示例：为集合指定 WiredTiger 存储引擎的压缩方式：

db.createCollection("largeData", {
  storageEngine: {
    wiredTiger: {
      configString: "block_compressor=zstd"  // 使用zstd压缩算法
    }
  }
})

9. collation
   • 类型：文档。
   • 作用：定义集合的排序规则（如语言、大小写敏感性）。
   • 示例：创建一个不区分大小写的集合：

db.createCollection("products", {
  collation: {
    locale: "en",
    strength: 2  // 1=忽略大小写和重音，2=忽略大小写（保留重音）
  }
})

10. timeseries
    • 类型：文档。
    • 作用：创建时间序列集合（专门优化用于存储时序数据，如监控指标、传感器数据）。
    • 必选子参数：
      • timeField：指定存储时间戳的字段名（如 timestamp）。
    • 示例：

db.createCollection("sensorData", {
  timeseries: {
    timeField: "timestamp",  // 时间戳字段
    metaField: "deviceId",   // 元数据字段（如设备ID，用于分组）
    granularity: "minutes"   // 数据粒度（优化查询性能）
  }
})

11. expireAfterSeconds
    • 类型：数字。
    • 作用：为集合中的文档设置自动过期时间（需配合 _id 以外的日期字段使用）。
    • 示例：文档在 createdAt 字段指定的时间后 3600 秒（1 小时）自动删除：

db.createCollection("tempData", { expireAfterSeconds: 3600 })
// 需手动为createdAt字段创建索引：
db.tempData.createIndex({ createdAt: 1 })

12. viewOn
    • 类型：字符串。
    • 作用：创建视图（基于其他集合的虚拟集合，不存储实际数据，仅展示源集合经处理后的结果）时，用于指定源集合的名称。必须与 pipeline 参数配合使用，否则无法创建视图。
    • 示例：基于 orders 集合创建视图：

db.createCollection("activeOrdersView", {
  viewOn: "orders",  // 源集合为orders
  pipeline: [{ $match: { status: "active" } }]  // 配合pipeline定义视图规则
})

13. pipeline
    • 类型：数组（由聚合操作符组成）。
    • 作用：创建视图时，定义对源集合数据的筛选、转换、计算等规则（即聚合管道），视图将展示经过管道处理后的结果。需与 viewOn 参数配合使用。
    • 示例：从 orders 集合中筛选出状态为“completed”的文档，并只展示 orderId 和 totalAmount 字段：

db.createCollection("completedOrdersView", {
  viewOn: "orders",
  pipeline: [
    { $match: { status: "completed" } },  // 筛选状态为completed的文档
    { $project: { orderId: 1, totalAmount: 1, _id: 0 } }  // 只保留指定字段
  ]
})
// 视图completedOrdersView将只显示符合条件的文档及指定字段

• （续上述集合操作）更新集合名
  在 MongoDB 中，重命名集合主要有两种方法：

  • 方法一：通过 db.adminCommand() 执行 renameCollection 命令

    1. 适用场景：适用于所有 MongoDB 环境（包括 shell 命令行、驱动程序调用），是通用性较强的官方推荐方式。
    2. 语法格式：

       db.adminCommand({
         renameCollection: "<旧集合完整名称>",  // 必选，格式为 "数据库名.集合名"（需包含所属数据库）
         to: "<新集合完整名称>",                // 必选，格式同上（新集合的数据库可以与旧集合不同，实现跨库移动）
         dropTarget: <布尔值>                  // 可选，默认 false；若新集合已存在，true 表示删除旧的新集合后重命名，false 表示不删除（此时会报错）
       })
       

    3. 示例：
       • 将 test 数据库中的 users 集合重命名为 customers（同库重命名）：

         db.adminCommand({ renameCollection: "test.users", to: "test.customers" })
         

       • 将 test 数据库的 users 移动到 newdb 数据库并命名为 clients（跨库移动+重命名）：

         db.adminCommand({ renameCollection: "test.users", to: "newdb.clients" })
         

  • 方法二：直接调用数据库对象的 renameCollection() 方法

    1. 适用场景：主要用于 MongoDB shell 环境或支持该方法的驱动程序，操作更简洁，但功能相对单一。
    2. 语法格式：

       // 先切换到集合所属的数据库
       use 数据库名
       // 调用 renameCollection 方法
       db.renameCollection("<旧集合名>", "<新集合名>", <dropTarget>)
       

       • 参数说明：
         • <旧集合名>：必选，仅需集合名（无需带数据库，因已通过 use 切换到目标库）。
         • <新集合名>：必选，仅需集合名（新集合会被创建在当前数据库中，不支持跨库操作）。
         • <dropTarget>：可选，布尔值，默认 false（作用同方法一）。
    3. 示例：
       将 test 数据库中的 users 集合重命名为 customers（同库操作）：

       use test  // 切换到 test 数据库
       db.renameCollection("users", "customers")  // 重命名当前库下的集合
       
       

  • 两种方法的核心区别

  对比项	方法一（db.adminCommand）	方法二（db.renameCollection）
  跨库操作	支持（可将集合移动到其他数据库）	不支持（只能在当前数据库内重命名）
  集合名称格式	需带数据库名（如 test.users）	仅需集合名（依赖 use 切换的数据库）
  适用环境	所有环境（shell、驱动程序）	主要用于 shell 或特定驱动

  • 更新集合名，需要注意：
    1. 重命名操作会临时锁定源集合，期间无法写入数据，建议在低峰期执行。
    2. 若新集合已存在且 dropTarget 为 false，两种方法都会报错（需手动删除旧的新集合或设置 dropTarget: true）。
    3. 【重要】执行用户需具备 renameCollection 权限（通常为数据库管理员权限）。

2.4 MongoDB文档操作指令

文档的数据结构和 JSON 基本一样。所有存储在集合中的数据都是 BSON 格式（Binary JSON 的简称）。
指定数据库和集合之后，针对文档（数据记录）的操作：

• db.集合名字.insertOne(document)：向集合中插入单条文档。

  • document：必选，要插入的文档（JSON格式对象），字段可自定义。
  • 示例：向users集合插入一条用户文档

    db.users.insertOne({
      username: "lisi",
      age: 30,
      status: "active"
    })
    

  • 插入成功后，MongoDB会自动为文档添加_id字段（唯一标识，若未指定则自动生成ObjectId）。

• db.集合名字.insertMany(documents, options)：向集合中插入多条文档。

  • documents：必选，文档数组（包含多个JSON对象）。
  • options：可选，配置项，如ordered: true（默认，按顺序插入，失败则终止）、ordered: false（并行插入以提高插入性能，忽略单条失败）。
  • 示例：批量插入用户文档

    db.users.insertMany([
      { username: "wangwu", age: 28, status: "inactive" },
      { username: "zhaoliu", age: 35, status: "active" }
    ])
    

• db.集合名字.find(query, projection)：查询集合中的文档，返回所有符合条件的结果（默认返回全部字段）。

  • query：可选，查询条件（JSON对象），不指定则返回所有文档。
  • projection：可选，投影设置（指定返回哪些字段），1表示显示，0表示隐藏（_id默认显示，需显式设置0隐藏）。
  • 示例：
    • 查询所有状态为active的用户：

      db.users.find({ status: "active" })
      

    • 查询年龄大于25的用户，只返回username和age字段：

      db.users.find({ age: { $gt: 25 } }, { username: 1, age: 1, _id: 0 })
      

  • 常用查询操作符：$eq（等于）、$gt（大于）、$lt（小于）、$in（在数组中）、$and（逻辑与）等。

• db.集合名字.findOne(query, projection)：查询符合条件的第一条文档（返回单个文档，而非数组）。

  • 参数同find()，适用于获取唯一结果（如按_id查询）。
  • 示例：查询username为lisi的用户

    db.users.findOne({ username: "lisi" })
    

• db.集合名字.updateOne(filter, update, options)：更新符合条件的第一条文档。

  • filter：必选，筛选条件（同查询的query）。
  • update：必选，更新操作（需使用更新操作符，如$set、$inc等）。
  • options：可选，如upsert: true（若文档不存在则插入新文档）。
  • 示例：将lisi的年龄更新为31

    db.users.updateOne(
      { username: "lisi" },  // 筛选条件
      { $set: { age: 31 } }  // 更新操作：设置age字段
    )
    

  • 常用更新操作符：$set（修改字段值）、$inc（数值增减）、$push（向数组添加元素）、$unset（删除字段）等。

• db.集合名字.updateMany(filter, update, options)：更新所有符合条件的文档。

  • 参数同updateOne()，但会批量更新匹配的所有文档。
  • 示例：将所有status为inactive的用户年龄增加1

    db.users.updateMany(
      { status: "inactive" },
      { $inc: { age: 1 } }  // 年龄+1
    )
    

• db.集合名字.replaceOne(filter, replacement, options)：替换符合条件的第一条文档（用新文档完全覆盖旧文档，保留_id）。

  • replacement：必选，用于替换的新文档（不含更新操作符）。
  • 示例：替换wangwu的文档内容

    db.users.replaceOne(
      { username: "wangwu" },
      { username: "wangwu", age: 29, status: "active", hobby: "reading" }
    )
    

• db.集合名字.deleteOne(filter)：删除符合条件的第一条文档。

  • filter：必选，筛选条件（同查询）。
  • 示例：删除username为zhaoliu的文档

    db.users.deleteOne({ username: "zhaoliu" })
    

• db.集合名字.deleteMany(filter)：删除所有符合条件的文档。

  • 示例：删除所有status为inactive的文档

    db.users.deleteMany({ status: "inactive" })
    

• db.集合名字.countDocuments(query)：统计符合条件的文档数量。

  • query：可选，筛选条件，不指定则统计集合总文档数。
  • 示例：统计状态为active的用户数量

    db.users.countDocuments({ status: "active" })
    

• db.集合名字.distinct(field, query)：查询指定字段的去重值，返回数组。

  • field：必选，要去重的字段名。
  • query：可选，筛选条件。
  • 示例：查询所有用户的status去重后的值

    db.users.distinct("status")  // 返回 ["active", "inactive"]
    

• db.集合名字.aggregate(pipeline)：聚合查询（复杂数据处理，如分组、统计、关联等）。

  • pipeline：必选，聚合管道数组（由多个聚合阶段组成）。
  • 示例：按status分组统计用户数量

    db.users.aggregate([
      { $group: { _id: "$status", count: { $sum: 1 } } }
    ])
    

  • 常用聚合阶段：$match（筛选）、$group（分组）、$sort（排序）、$limit（限制数量）等。

2.5 规范及常见问题解决

数据库命名规范

1、命名规则

// 正确的数据库名
use myapp          // 小写字母
use user_management // 下划线分隔
use test123        // 包含数字

// 错误的数据库名
use MyApp          // 避免大写字母
use user-management // 避免连字符
use 123test        // 不能以数字开头
use my app         // 不能包含空格

2、最佳实践

// 使用有意义的名称
use ecommerce_db    // 电商数据库
use blog_system     // 博客系统数据库
use school_management // 学校管理数据库

// 避免使用特殊字符
// 避免使用MongoDB保留字
// 使用小写字母和下划线

故障排除

问题1：数据库不显示

// 原因：数据库为空
use myapp
db.users.insertOne({"test": "data"})
show dbs
// 现在应该能看到myapp

问题2：无法创建数据库

// 检查权限
use admin
db.auth("admin", "password")

// 检查磁盘空间
db.stats()

问题3：集合创建失败

// 检查集合名是否合法
// 集合名不能以"system."开头
db.createCollection("mycollection") // 正确
db.createCollection("system.test")  // 错误

2.6 实际应用示例

第一步：连接到MongoDB

启动MongoDB Shell

# 连接到本地MongoDB
mongosh

# 连接到远程MongoDB
mongosh --host 192.168.1.100 --port 27017

# 连接到特定数据库
mongosh --db myapp

基本连接操作

// 查看当前数据库
db

// 查看所有数据库
show dbs

// 查看当前数据库的所有集合
show collections

第二步：创建第一个数据库

使用use命令创建数据库

// 切换到（或创建）名为"myapp"的数据库
use myapp

// 查看当前数据库
db
// 输出: myapp

// 查看所有数据库
show dbs
// 注意：此时myapp数据库可能还不会显示

为什么新创建的数据库不显示？

// 刚创建的数据库不会立即显示在列表中
use myapp
show dbs
// 输出可能不包含myapp

// 需要插入数据后才会显示
db.users.insertOne({"name": "张三", "age": 25})
show dbs
// 现在myapp会显示在列表中

第三步：向数据库插入数据

插入第一条数据

// 切换到myapp数据库
use myapp

// 插入一条用户数据
db.users.insertOne({
  "name": "张三",
  "email": "zhangsan@example.com",
  "age": 25,
  "created_at": new Date()
})

// 查看插入结果
// 输出: { "acknowledged" : true, "insertedId" : ObjectId("...") }

插入多条数据

// 插入多条用户数据
db.users.insertMany([
  {
    "name": "李四",
    "email": "lisi@example.com",
    "age": 30,
    "created_at": new Date()
  },
  {
    "name": "王五",
    "email": "wangwu@example.com",
    "age": 28,
    "created_at": new Date()
  }
])

验证数据库创建

// 查看所有数据库
show dbs
// 现在应该能看到myapp数据库

// 查看当前数据库的集合
show collections
// 应该能看到users集合

// 查看集合中的数据
db.users.find()

第四步：创建集合

方法一：自动创建集合

// 插入数据时自动创建集合
use myapp
db.products.insertOne({
  "name": "笔记本电脑",
  "price": 5999,
  "category": "电子产品"
})

方法二：显式创建集合

// 显式创建集合
use myapp
db.createCollection("orders")

// 查看所有集合
show collections
// 输出: orders, products, users

创建带选项的集合

// 创建固定大小的集合（适合存储日志）
db.createCollection("logs", {
  capped: true,
  size: 100000,  // 100KB
  max: 1000      // 最多1000个文档
})

// 创建带验证规则的集合
db.createCollection("employees", {
  validator: {
    $jsonSchema: {
      bsonType: "object",
      required: ["name", "email"],
      properties: {
        name: {
          bsonType: "string",
          description: "姓名必须是字符串"
        },
        email: {
          bsonType: "string",
          pattern: "^[a-zA-Z0-9._%+-]+@[a-zA-Z0-9.-]+\\.[a-zA-Z]{2,}$",
          description: "邮箱格式不正确"
        }
      }
    }
  }
})

第五步：数据库操作

查看数据库信息

// 查看当前数据库
db

// 查看数据库统计信息
db.stats()

// 查看数据库名称
db.getName()

删除数据库

// 切换到要删除的数据库
use testdb

// 删除当前数据库
db.dropDatabase()

// 验证删除
show dbs
// testdb应该不再显示

复制数据库

// 复制数据库（需要管理员权限）
use admin
db.copyDatabase("source_db", "target_db", "localhost:27017")

实际应用场景：电商网站数据库

// 创建电商数据库
use ecommerce

// 创建用户集合
db.users.insertOne({
  "username": "customer1",
  "email": "customer1@example.com",
  "profile": {
    "firstName": "张",
    "lastName": "三",
    "phone": "13800138000"
  },
  "addresses": [
    {
      "type": "home",
      "street": "中关村大街1号",
      "city": "北京",
      "zipCode": "100080"
    }
  ],
  "created_at": new Date()
})

// 创建产品集合
db.products.insertOne({
  "name": "iPhone 15",
  "category": "手机",
  "brand": "Apple",
  "price": 6999,
  "stock": 100,
  "specifications": {
    "color": "黑色",
    "storage": "128GB",
    "screen": "6.1英寸"
  },
  "created_at": new Date()
})

// 创建订单集合
db.orders.insertOne({
  "orderId": "ORD001",
  "userId": "customer1",
  "items": [
    {
      "productId": "iPhone 15",
      "quantity": 1,
      "price": 6999
    }
  ],
  "total": 6999,
  "status": "pending",
  "created_at": new Date()
})