【mongoDB查询进阶】聚合管道(二) -- 阶段操作符

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什么是管道操作符(Aggregation Pipeline Operators)

mongoDB有4类操作符用于文档的操作，例如find查询里面会用到的$gte，$in等。操作符以$开头，分为查询操作符，更新操作符，管道操作符，查询修饰符4大类。其中管道操作符是用于聚合管道中的操作符。

管道操作符的分类

管道操作符可以分为三类：

1. 阶段操作符（Stage Operators）
2. 表达式操作符（Expression Operators）
3. 累加器（Accumulators）

阶段操作符（Stage Operators）

阶段操作符是使用于db.collection.aggregate方法里面，数组参数中的第一层。

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

表达式操作符（Expression Operators）

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：

方法1：

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

方法2：

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{ <operator>: <argument> }

累加器（Accumulators）

累加器本来只能使用与$groud下，但是版本3.2或以上，部分累加器还能使用于$project。当在$group中使用时，累加器是针对每个分组使用的；当在$project中使用时，累加器则是针对每个字面量起作用，具体用法下一篇文章阐述。

常用阶段操作符

操作符	简述
$match	匹配操作符，用于对文档集合进行筛选
$project	投射操作符，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
$sort	排序操作符，用于根据一个或多个字段对文档进行排序
$limit	限制操作符，用于限制返回文档的数量
$skip	跳过操作符，用于跳过指定数量的文档
$count	统计操作符，用于统计文档的数量
$group	分组操作符，用于对文档集合进行分组
$unwind	拆分操作符，用于将数组中的每一个值拆分为单独的文档
$lookup	连接操作符，用于连接同一个数据库中另一个集合，并获取指定的文档，类似于populate

阶段操作符详解

假设有一个保存用户的集合Users，一个文章的集合Articles，数据大致如下： users:

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[
    { name: 'John', age: 16, sex: male, city: guangzhou, _id: 1, ...},
    { name: 'Rose', age: 18, sex: female, city: beijing, _id: 2, ...},
    { name: 'Jack', age: 29, sex: male, city: guangzhou, _id: 3, ...},
    { name: 'Allen', age: 18, sex: female, city: beijing, _id: 4, ...},
    { name: 'Cruz', age: 22, sex: male, city: guangzhou, _id: 5, ...},
    { name: 'Peter', age: 18, sex: male, city: guangzhou, _id: 6, ...},
    { name: 'Kelly', age: 23, sex: female, city: shanghai, _id: 7, ...},
    ...
]

articles:

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[
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, ... },
    { title: 'this is article B', author: 'Jack', _id: 2, ... },
    { title: 'this is article C', author: 'Rose', _id: 3, ... },
    { title: 'this is article D', author: 'John', _id: 4, ... },
    { title: 'this is article E', author: 'John', _id: 5, ... },
    ...
]

$match 匹配操作符

说明：

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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

用法:

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{ $match: { <query> } }

示例：

• 查询用户年龄是18岁的用户

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db.users.aggregate([{ $match : { age : "18" } }]);

$project 投射操作符

说明：

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用于对文档集合进行筛选

用法:

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

specification的规则

规则	描述
<字段名>: 1 or true	选择需要返回什么字段
_id: 0 or false	不返回_id(默认返回)
<字段名>: 表达式	使用表达式，可以用于重命名字段，或对其值进行操作，或新增字段
<字段名>: 0 or false	选择需要不返回什么字段，注意：当使用这种用法时，就不要用上面的方法

示例1：

• 用户集合投射用户姓名
• 不返回_id

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db.users.aggregate([{ $project : { name: 1 } }]);

示例2：

• 将_id重命名为userId
• 不返回_id_

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db.users.aggregate([{ $project : { ueserId: '$_id', _id: 0 } }]);

示例3：

• 返回新字段username,并使用表达式让它的值为name的大写。

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db.users.aggregate([ 
    { 
        $project : {
            name: 1, 
            username: { $toUpper: '$name' }, 
            _id: 0 
        } 
    } 
]);

关于管道表达式：最简单的“$project”表达式是包含和排除字段(如: { name: 1 })，以及字段名称$fieldname(如: { userId: '$_id' })。除此以外，还可以使用表达式操作符(如: $toUpper)构成更丰富的表达式，将多个字面量和变量组合在一起使用，得到更多有意思的值，更多表达式操作符的说明及使用在另外的篇章中详细阐述。

$sort 排序操作符

说明：

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用于根据一个或多个字段对文档进行排序

用法：

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

示例：

• users集合按照年龄age从低到高排序

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db.users.aggregate([{ $sort : { age: 1 } }]);

$limit 限制操作符

说明：

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用于限制返回文档的数量

用法：

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{ $limit: <positive integer> }

示例：

• 返回5篇article

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db.articles.aggregate({ $limit : 3 });

$skip 跳过操作符

说明：

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用于跳过指定数量的文档

用法：

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{ $skip: <positive integer> }

示例：

• 跳过1个文档

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db.users.aggregate([{ $skip : 1 }]);

$count 统计操作符

说明：

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用于统计文档的数量

用法：

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{ $count: <string> }

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string是统计之后输出统计结果的字段名

示例：

• 统计文章的总数，以totalArticle返回

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db.articles.aggregate([{ totalArticle : 1 }]);

$group 分组操作符

说明：

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用于对文档集合进行分组

用法：

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

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_id是必须的，用作分组的依据条件

示例：

• 将用户(users)按性别（sex）分组

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db.users.aggregate([{ $group : { _id: '$sex' } }]);

返回结果：

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[
  { _id: 'male' },
  { _id: 'female' }
]

进阶示例：

• 将用户(users)按性别（sex）分组
• 分组后使用计算各自性别的平均年龄
• 统计不同的性别的人数，并以count返回

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db.users.aggregate([
    { 
        $group : {
            _id: '$sex', 
            avgAge: { $avg: '$age' }, 
            conut: { $sum: 1 } 
        } 
    }
]);

返回结果：

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[
  { _id: 'male', avgAge: <男性平均年龄>, count: <男性人数> },
  { _id: 'female', avgAge: <女性平均年龄>, count: <女性人数> }
]

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此处用到的表达式 { $avg: '$age' } 用于求平均年龄，$avg是求均值的操作符，$sum用于汇总， 都只能在$group中使用的累加器，mongoDB3.2以上版本则还可以在$project中使用，详细会在另外的篇章中阐述。

$unwind 拆分操作符

说明：

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用于将数组中的每一个值拆分为单独的文档

用法：

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{ $unwind: <field path> }

3.2 版本的用法：

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增加icludeArrayIndex,preserveNullAndEmptyArrays两个可选配置

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

字段	类型	描述
path	string	必填，数组的字段名，指定需要拆分的字段
includeArrayIndex	string	可选，定义返回的字段名，返回的值是拆分前值在原数组的位置
preserveNullAndEmptyArrays	boolean	可选，配置在path的值为空或缺失的情况下是否拆分， 默认false

示例：

假设articles文档集合是这样：

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{ title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: ['a', 'b', 'c']}

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db.articles.aggregate([{ $unwind: '$comments' }]);

结果：

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[
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'a'},
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'b'},
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'c'},
]

进阶示例（v3.2 ）：

假设articles文档集合是这样：

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[
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: ['a', 'b', 'c'] }
    { title: 'this is article B', author: 'Jack', _id: 2 },
    { title: 'this is article C', author: 'Amy', _id: 3, comments: [] },
    { title: 'this is article D', author: 'Lam', _id: 4, comments: null },
]

操作：

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db.articles.aggregate([
    { 
        $unwind: {
            path: '$comments',
            includeArrayIndex: 'arrayIndex',
        }
    }
]);

结果：

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[
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'a', arrayIndex: NumberLong(0) },
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'b', arrayIndex: NumberLong(1) },
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'c', arrayIndex: NumberLong(2) },
]

操作：

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db.articles.aggregate([
    { 
        $unwind: {
            path: '$comments',
            preserveNullAndEmptyArrays: true,
        }
    }
]);

结果：

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[
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'a' },
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'b' },
    { title: 'this is article A', author: 'John', _id: 1, comments: 'c' },
    { title: 'this is article B', author: 'Jack', _id: 2 },
    { title: 'this is article C', author: 'Amy', _id: 3 },
    { title: 'this is article C', author: 'Amy', _id: 3, comments: null }
]

$lookup 连接操作符

说明：

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用于连接同一个数据库中另一个集合，并获取指定的文档，类似于populate

用法：

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

字段	描述
from	需要关联的集合名
localField	本集合中需要查找的字段
foreignField	另外一个集合中需要关联的字段
as	输出的字段名

示例：

• ariticles中的author关联到user表
• authoer字段返回详细的用户的信息

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db.articles.aggregate([
  {
    $lookup:
      {
        from: "users",
        localField: "author",
        foreignField: "name",
        as: "author"
      }
  }
])

结果：

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[
    { 
        title: 'this is article A', 
        author: { 
            name: 'John',
            age: 16,
            sex: male,
            city: guangzhou,
            _id: 1, 
            ...
        }, 
        _id: 1, 
        ... 
    },
    { 
        title: 'this is article B', 
        author: { 
            name: 'Jack',
            age: 29,
            sex: male,
            city: guangzhou,
            _id: 3, 
            ...
        }, 
        _id: 2, 
        ... 
    },
    { 
        title: 'this is article C', 
        author: { 
            name: 'Rose',
            age: 18,
            sex: male,
            city: beijing,
            _id: 2, 
            ...
        }, 
        _id: 3, 
        ... 
    },
    { 
        title: 'this is article D', 
        author: { 
            name: 'John',
            age: 16,
            sex: male,
            city: guangzhou,
            _id: 1, 
            ...
        },
        _id: 4, 
        ... 
    },
    { 
        title: 'this is article E', 
        author: { 
            name: 'John',
            age: 16,
            sex: male,
            city: guangzhou,
            _id: 1,
            ...
        },
        _id: 5, 
        ... 
    },
    ...
]

综合示例

需求

找出发表文章最多的5位作者，按发表文章排序，显示他的发表文章的总次数，和他自己的信息

• 文章按照作者分组,统计次数
• 按照次数从高到低排序
• 截取头5名
• 关联用户信息
• 不输出文章_id

操作

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db.articles.aggregate([
  {
    $group:
      {
        _id: "$author",
        count: { $sum: 1 },
      }
  }, 
  {
        $sort: { count: -1 }
  },
  {
      $skip: 5
  },
  {
      $lookup:
        {
          from: "users",
          localField: "author",
          foreignField: "name",
          as: "author"
        }
  },
  {
      $project: {
          _id: 0,
      }
  }
])

总结

本文介绍了几个使用聚合管道查询时常用的管道操作符的用法，熟练地综合使用以上操作符可以对数据进行多样的处理，组合，统计，得出多样化的数据。另外再加以配合表达式操作符(Expression Operators)组成的表达式, 或者在$project或$group中使用累加器(Accumulators)能查询统计的内容会更加的多样化。

express

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