初探 NoSQL 及 MongoDB

Sander Rossel

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2014年11月5日

CPOL

11分钟阅读

39923

用 MongoDB 入门 NoSQL！

今天，我决定研究一下 NoSQL。它并不算新，实际上我有点晚才搭上 NoSQL 这趟车，但到目前为止我还没有用到它的需求（实际上现在也还没有，但我有一些空闲时间并且要写一篇博客）。由于 NoSQL 可能会相当复杂，因为它强加了一种新的数据存储思维方式，而且我不可能讨论所有可以讨论的内容，所以我会在这篇文章的末尾添加一些额外阅读材料。

NoSQL 概述

首先，什么是 NoSQL？顾名思义，它不是 SQL（结构化查询语言），SQL 是数据库支持关系数据库模型的标准。由于 SQL 已经成为标准大约二三十年了，我将不再讨论它，你可能已经知道了。对 NoSQL 的一个常见误解是它代表“no SQL”（没有 SQL），而它实际上意味着“Not Only SQL”（不仅仅是 SQL），这意味着 NoSQL 中至少有一些 SQL 的优点。无论这种 SQL 的优点是什么，它都不是关系模型。这就是 NoSQL 与 SQL 根本不同的地方，期望去规范化和重复数据。这个“特性”使得模式可以灵活。在 NoSQL 中，通常很容易向数据库添加字段。在 SQL 数据库中，如果表包含一些数据，你可能需要锁定几分钟，而在 NoSQL 中，你可以在运行时（生产过程中！）动态添加字段。由于去规范化，你减少甚至消除了昂贵的连接，查询数据也可能比典型的 SQL 数据库更快。这种数据存储方法的缺点是，数据一致性更难实现。在 SQL 中，如果你的数据库已经规范化，一致性或多或少是有保证的，而 NoSQL 提供了一致性或最终一致性。NoSQL 数据库如何提供这种（最终）一致性因供应商而异，但它不像 SQL 数据库那样自然。此外，由于数据存储和查询的方式，NoSQL 数据库往往比 SQL 数据库更容易跨机器扩展。

除此之外，NoSQL 没有统一的定义，因为没有标准。尽管如此，NoSQL 大致可以分为四种数据库模型（有些人会说更多，我们不深入讨论这些细节）：文档、图、键值和宽列。所以让我们快速了解一下这些模型并尝试一个！

文档模型

首先是文档模型。当我们想到文档时，不要想到 Word 或 Excel 文档，要想到像 Java 或 C# 这样的面向对象语言中的对象。每个文档都有包含值的字段，例如字符串、日期、另一个文档或值的数组。文档的模式是动态的，因此添加新字段非常容易。文档可以根据任何字段进行查询。

由于一个值可以是另一个文档或文档数组，因此数据访问得到简化，并且减少甚至消除了对 `join` 的使用，就像在关系数据库中需要的那样。这也意味着你需要去规范化并存储冗余数据！

文档模型数据库可用于各种应用程序。该模型灵活，文档具有丰富的查询功能。此外，文档结构与现代编程语言中的对象非常相似。

文档数据库的一些例子有 MongoDB 和 CouchDB。

图模型

接下来是图模型。顾名思义，这个模型将数据存储在图中，用节点、边和属性来表示数据。图是一种数学结构，我不会再深入讨论它。图数据库将数据建模为实体之间的关系网络。听起来很困难？我也这么认为。无论如何，当你的应用程序基于各种关系时，例如社交网络，图数据库是首选。

图数据库的一些例子有 HyperGraphDB 和 Neo4j。

键值模型

键值数据库是 NoSQL 数据库中最简单的。它们基本上提供一个键和一个值，其中值可以是任何东西。数据只能通过键进行查询。每个键可以有不同的（类型）值。由于这种简单性，这些数据库往往具有很高的性能和可扩展性，但是，由于这种简单性，它们也不适用于许多应用程序。

键值数据库的一些例子是 Redis 和 Riak。

宽列模型

最后是宽列模型。与键值模型一样，宽列模型由一个可以查询数据的键组成，可以具有很高的性能，并且不适用于所有应用程序。每个键都包含一个“单一”值，该值可以具有可变数量的列。每列可以嵌套其他列。列可以分组到族中，并且每列可以属于多个列族。与对象模型一样，宽列存储的模式是灵活的。呼，我还以为图模型很复杂呢！
宽列数据库的一些例子有 Cassandra 和 HBase。

MongoDB 入门

好了，就是这样。我必须承认，我实际上还没有使用过它们中的任何一个，但我肯定计划更深入地研究它们。而且实际上，正如承诺的那样，我现在就要尝试一个！我选择了 MongoDB，它是目前发展最快的数据库之一。它是一个文档存储，因此比其他类型具有更广泛的适用性。你可以在 www.mongodb.org 下载免费版本。上面也有很多文档，所以我建议你稍后多看看。安装非常简单。只需点击几次下一步即可安装。如果你更改了任何设置，如果它无法工作或你无法理解本文的其余部分，我概不负责。所以，继续吧，我等你。

准备好了吗？安装 MongoDB 后，你需要运行它。我有点惊讶它默认情况下不像（例如）SQL Server 那样作为服务运行。

那么，如何启动 MongoDB 呢？打开一个命令窗口（是的，真的）。首先，你需要创建 MongoDB 存储文件的 `` 目录。默认是 `\data\db`，要创建它，在你的命令窗口中输入 `md \data\db`。接下来，你需要导航到你安装 MongoDB 的文件夹。对我来说，这是 `C:\Program Files\MongoDB 2.6 Standard\bin`。然后启动 `mongod.exe`。如果你像我一样，从未在命令窗口中工作过，这里是你需要在命令窗口中输入的内容：

cd C:\
md data\db
cd C:\Program Files\MongoDB 2.6 Standard\bin
mongod.exe

如果你仍然遇到问题或者你没有运行 Windows，你可以查看这个 MongoDB 安装教程。它还解释了如何将 MongoDB 作为服务运行，因此是推荐阅读材料！

你可能想知道 MongoDB 是否有一个管理系统，我们可以在其中查询和编辑数据，而无需编程语言。你可以使用命令窗口向 MongoDB 数据库发出 JavaScript 命令。为此，你需要通过命令窗口启动 `mongo.exe`。MongoDB 入门页面更详细地解释了这一点。但是，我强烈建议你下载 MongoVUE。它是一个易于使用的图形化 MongoDB 管理系统。帮自己一个忙，在继续阅读之前安装它。你可以查看我们将在下一段中插入和编辑的数据。

在我们继续之前还有一件事。Mongo 将其文档存储为 BSON，它代表二进制 JSON。现在并不重要，但知道这一点很好。我们会看到一些名为 Bson* 的类，现在你知道它从何而来了。MongoVUE 允许你以 JSON 格式查看你存储的文档。

MongoDB 的 C# 端

既然 MongoDB 已经运行，请在 Visual Studio 中启动一个新的 C# 控制台项目。确保你已保存项目（只需将其命名为 `MongoDBTest` 或其他）。现在打开包管理器控制台，它可以在菜单中的“工具 -> 库包管理器 -> 包管理器控制台”下找到。让 MongoDB 在你的项目中工作就像输入以下命令一样简单：`PM> Install-Package mongocsharpdriver`。MongoDB 驱动程序将自动安装并添加到你的项目中。确保将以下命名空间导入到你的文件中：

using MongoDB.Bson;
using MongoDB.Bson.Serialization.Attributes;
using MongoDB.Driver;
using MongoDB.Driver.Builders;
using MongoDB.Driver.Linq;
using System;
using System.Linq;

那么，你准备好编写一些代码了吗？首先，我们需要一些要存储在数据库中的东西，比如说一个 `Person`。我创建了以下类以便我们开始时使用。

public class Person
{
    public ObjectId Id { get; set; }
    public string Name { get; set; }
}

类再简单不过了。请注意，我在 `Id` 字段使用了 `ObjectId`。为 ID 字段使用此类型会使 Mongo 为你生成一个 ID。你可以使用任何类型作为 ID 字段，但你需要自己将其设置为唯一值（否则你将覆盖已具有该 ID 的记录）。另一个注意事项是你需要将你的 ID 字段命名为 Id（区分大小写）或用 `BsonIdAttribute` 进行标注。既然我们谈论属性，这里还有另一个很快会派上用场的属性，`BsonIgnoreAttribute`。带有该属性的属性将不会持久化到存储中。

public class Person
{
    [BsonId()]
    public ObjectId MyID { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    [BsonIgnore()]
    public string NotPersisted { get; set; }
}

目前，我们将使用默认的 Id 字段。现在让我们连接到我们的实例并创建一个数据库。你会发现这实际上相当容易。无论何时你向其中放入数据，Mongo 都会自动创建一个数据库。连接到数据库后，我们希望将一些数据放入该数据库中。更具体地说，我们想要创建一个 `Person` 并存储它。为此，我们首先会请求一个具有特定名称的 `Persons` 集合（如果你愿意，可以将其视为表名）。如果你对集合使用不同的名称，则可以存储多个 `Persons` 集合，所以请注意拼写错误！从数据库获取集合后，我们将创建一个 `Person` 并将其保存到数据库中。这些事情一下子很多，但实际上代码非常简单，你无论如何都会明白的！

// Connect to the database.
string connectionString = "mongodb://";
MongoClient client = new MongoClient(connectionString);
MongoServer server = client.GetServer();
MongoDatabase database = server.GetDatabase("testdb");

// Store a person.
MongoCollection persons = database.GetCollection("person");
Person p1 = new Person() { Name = "Sander" };
persons.Save(p1);
Console.WriteLine(p1.Id.ToString());
Console.ReadKey();

哇，那真是太简单了，不是吗！？Mongo 为你生成了一个 ID，正如你所看到的。接下来，我们将从数据库中取回这个 `Person`。有几种方法可以做到这一点。我们可以使用 Mongo API，也可以使用 LINQ。两者都提供了查询一个或多个记录的多种方法。我建议你阅读文档并进行一些实验。我将向你展示几种从数据库中取回我们的 `Person` 的方法。

// Using the MongoDB API.
ObjectId id = p1.Id;
Person sanderById = persons.FindOneById(id);
Person sanderByName = persons.FindOne(Query.EQ(p => p.Name, "Sander"));

// Using LINQ.
var sandersByLinq = from p in persons.AsQueryable()
                    where p.Name == "Sander"
                    select p;
Person sander = sandersByLinq.SingleOrDefault();

你会注意到 `Query.EQ`。`EQ` 代表 equal（等于），它构建了一个查询，用于测试字段是否等于特定值。还有其他查询类型，如 `GT`（大于）、`LT`（小于）、`In`、`Exists` 等。

但是等等，我一点也不满意这段代码！`Person` 真正需要的是 `LastName` 和 `Age` 字段。现在，我要说的灵活的模式来了。只需将属性添加到你的类中。如果你获取一个没有指定这些字段的 `Person`，它们将被设置为默认值。如果是 `Age`，你可能想使用 `int?` 而不是 `int`，否则你已有的 `Persons` 将会有 `0` 的年龄而不是 `null`。

Person incompleteSander = persons.FindOne(Query.EQ(p => p.Name, "Sander"));
Console.WriteLine(String.Format("{0}'s last name is {1} and {0}'s age is {2}",
    incompleteSander.Name, incompleteSander.LastName, incompleteSander.Age.ToString()));

incompleteSander.LastName = "Rossel";
incompleteSander.Age = 27;

// Let's save those new values.
persons.Save(incompleteSander);

Console.ReadKey();
// Retrieve the person again, but this time with last name and age.
Person completeSander = persons.FindOne(Query.EQ(p => p.Name, "Sander"));
Console.WriteLine(String.Format("{0}'s last name is {1} and {0}'s age is {2}",
    completeSander.Name, completeSander.LastName, completeSander.Age.ToString()));

Console.ReadKey();

现在我们还为 `Person` 添加一个 `address`。`Address` 将是一个新类，而 `Person` 将持有一个对 `Address` 的引用。现在你可以像往常一样对其进行建模。

public class Person
{
    public ObjectId Id { get; set; }
    public string Name { get; set; }
    public string LastName { get; set; }
    public int? Age { get; set; }
    public Address Address { get; set; }
}

public class Address
{
    public string AddressLine { get; set; }
    public string PostalCode { get; set; }
}

注意 `Address` 不需要 `Id` 字段吗？那是因为它是 `Person` 的一个子文档，它不能独立于 `Person` 存在，因此不需要 `Id` 来使其唯一。现在从数据库中获取你已有的 `Person`，检查它的地址是否为空，创建一个地址，保存它并再次获取它。

Person addresslessSander = persons.FindOne(Query.EQ(p => p.Name, "Sander"));
if (addresslessSander.Address != null)
{
    Console.WriteLine(String.Format("Sander lives at {0} on postal code {1}", 
        addresslessSander.Address.AddressLine, addresslessSander.Address.PostalCode));
}
else
{
    Console.WriteLine("Sander lives nowhere...");
}

addresslessSander.Address = new Address() { AddressLine = "Somewhere", PostalCode = "1234 AB" };
persons.Save(addresslessSander);

Person addressSander = persons.FindOne(Query.EQ(p => p.Name, "Sander"));
if (addressSander.Address != null)
{
    Console.WriteLine(String.Format("Sander lives at {0} on postal code {1}", 
          addressSander.Address.AddressLine, addressSander.Address.PostalCode));
}
else
{
    Console.WriteLine("Sander lives nowhere...");
}

Console.ReadKey();

请务必查看 MongoVUE 中的 JSON。还可以尝试使用类列表进行实验。例如，尝试添加更多地址。我们也没有删除或更新任何记录，我们只是覆盖了整个条目。进行实验并阅读文档。

我们现在已经触及了 NoSQL，特别是 MongoDB 的表面。当然，MongoDB 还有很多功能，但我希望这篇博文能帮助你在 NoSQL 和 MongoDB 中入门。也许它给了你开始所需的一点动力。对我来说确实如此。期待未来有更多关于 NoSQL 的博客！

其他阅读

正如承诺的那样，这里有一些额外的阅读材料：

欢迎评论。祝您编程愉快！

文章 NoSQL 和 MongoDB 初探最初发布于 Sander 的点滴。