MongoDB — базовые возможности

Цель:

освоить базовые возможности mongodb

• заполнить MongoDB данными;
• написать несколько запросов на выборку и обновление данных
• создать индексы и сравнить производительность.

Заполнение хранилища данными

Я в поисках данных, достаточных для изучения базовых возможностей MongoDB, остановился на наборе данных NASA «Earth Meteorite Landings» (1000 строк со сведениями об упавших на Землю метеоритах, из репозитория https://github.com/jdorfman/awesome-json-datasets.

Замечание: нашел более полные (45.7K) сведения https://data.nasa.gov/Space-Science/Meteorite-Landings/gh4g-9sfh, но экспорт в JSON через их API дает только 1000 записей (непонятно), надо перелопатить полные данные экспортируемого CSV файла https://data.nasa.gov/api/views/gh4g-9sfh/rows.csv?accessType=DOWNLOAD?

Замечание: упс, можно получить полные данные в JSON, но это хак. Искренне надеюсь, что в этом нет SQL-инъекции

https://data.nasa.gov/api/id/gh4g-9sfh.json?$select=`name`,`id`,`nametype`,`recclass`,`mass`,`fall`,`year`,`reclat`,`reclong`,`geolocation`&$order=`:id`+ASC&$limit=46000&$offset=0

wc ./gh4g-9sfh.json
     45716   128491 10441343 ./gh4g-9sfh.json

Для взаимодействия с сервером в сети поставил на локальной машине только клиента и инструменты:

wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-4.4.asc | sudo apt-key add -
echo "deb http://repo.mongodb.org/apt/debian buster/mongodb-org/4.4 main" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-4.4.list

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org-shell
sudo apt-get install -y mongodb-org-tools

Проверка соединения:

mongo nosql-2020.otus --port 32789

    MongoDB shell version v4.4.1
    connecting to: mongodb://nosql-2020.otus:32789/test?compressors=disabled&gssapiServiceName=mongodb
    Implicit session: session { "id" : UUID("5ff24788-0710-4a1a-821f-7acb2eddfb4f") }
    MongoDB server version: 4.4.1
    Welcome to the MongoDB shell.
    For interactive help, type "help".
    For more comprehensive documentation, see
            https://docs.mongodb.com/
    Questions? Try the MongoDB Developer Community Forums
            https://community.mongodb.com

Импорт данных с локальной машины на удаленную:

mongoimport --host nosql-2020.otus  --db "otus_003" --port 32789 --collection eml45k --jsonArray --file ./003_MONGODB.files/gh4g-9sfh.json
    
    2020-10-12T01:01:13.826+0100    connected to: mongodb://nosql-2020.otus:32789/
    2020-10-12T01:01:16.827+0100    [#######.................] otus_003.eml45k      2.99MB/9.96MB (30.0%)
    2020-10-12T01:01:19.827+0100    [###############.........] otus_003.eml45k      6.44MB/9.96MB (64.6%)
    2020-10-12T01:01:22.827+0100    [#######################.] otus_003.eml45k      9.81MB/9.96MB (98.5%)
    2020-10-12T01:01:23.035+0100    [########################] otus_003.eml45k      9.96MB/9.96MB (100.0%)
    2020-10-12T01:01:23.035+0100    45716 document(s) imported successfully. 0 document(s) failed to import.

Замечание: 10 секунд на все про все, забавненько

Выборка данных

> show databases
admin     0.000GB
config    0.000GB
local     0.000GB
otus_003  0.000GB
test      0.000GB
> use otus_003
switched to db otus_003
> show collections
em
l

Ищем метеорит по заведомо известному имени:

> db.eml45k.find({name:"Bjelaja Zerkov"})

    { "_id" : ObjectId("5f8380a91c0ab84b54bfe394"), "name" : "Bjelaja Zerkov", "id" : "5063", "nametype" : "Valid", "recclass" : "H6", "mass" : "1850", "fall" : "Fell", "year" : "1796-01-01T00:00:00.000", "reclat" : "49.783330", "reclong" : "30.166670", "geolocation" : { "latitude" : "49.78333", "longitude" : "30.16667" } }

Ищем метеорит по заведомо известным координатам:

> db.eml45k.find({ "geolocation" : { "latitude" : "44.83333" , "longitude" : "95.16667" } })

{ "_id" : ObjectId("5f8380a91c0ab84b54bfe322"), "name" : "Adzhi-Bogdo (stone)", "id" : "390", "nametype" : "Valid", "recclass" : "LL3-6", "mass" : "910", "fall" : "Fell", "year" : "1949-01-01T00:00:00.000", "reclat" : "44.833330", "reclong" : "95.166670", "geolocation" : { "latitude" : "44.83333", "longitude" : "95.16667" } }

Выборка списка упавших метеоритов с сортировкой по году падения (интересно, почему у NASA нет конкретного времени падения по Гринвичу) и c ограничением списка выбираемых полей:

> db.eml45k.find( { }, {year: 1, id: 1, name: 1, _id: 0 }).sort( { year: -1 } )

{ "name" : "Northwest Africa 7701", "id" : "57150", "year" : "2101-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Chelyabinsk", "id" : "57165", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7755", "id" : "57166", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7812", "id" : "57258", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7822", "id" : "57268", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7856", "id" : "57421", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7855", "id" : "57420", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7857", "id" : "57422", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7858", "id" : "57423", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7861", "id" : "57425", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7862", "id" : "57426", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Northwest Africa 7863", "id" : "57427", "year" : "2013-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Battle Mountain", "id" : "56133", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Sutter's Mill", "id" : "55529", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Antelope", "id" : "57455", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Catalina 009", "id" : "57173", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Jiddat al Harasis 799", "id" : "57428", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Johannesburg", "id" : "55765", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Ksar Ghilane 011", "id" : "55606", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
{ "name" : "Ksar Ghilane 010", "id" : "55605", "year" : "2012-01-01T00:00:00.000" }
Type "it" for more
>

Что-то я не нашел? как объединить два поля непосредственно при выборке:

"geolocation" : { "latitude" : "49.78333", "longitude" : "30.16667" } 

в точку (необходимо заметить изменение порядка следования произведено в соответствии с документацией (https://docs.mongodb.com/manual/geospatial-queries/#geospatial-legacy, то есть

< field >: [< longitude >, < latitude >]):

"geolocation" : { "type" : "Point", "coordinates" : [  30.16667 , 49.78333 ] } }

непосредственно при запросе, чтобы сделать (кто знает?) что-то по типу этого:

> db.eml45k.find({ 
    [ 
        {$toDouble: "$geolocation.longitude"} ,
        {$toDouble: "$geolocation.latitude"} 
    ] : {
        $geoWithin: {
            $geometry: {
                type : "Polygon" ,
                coordinates: [[
                    ... ,
                ]]
            }
        }
    }
}) 

Поэтому создал искусственное поле в коллекции:

db.eml45k.updateMany( 
    {},
    [{
        $set: {
            "pointed_geolocation.type" : "Point",
            "pointed_geolocation.coordinates" : [ 
                { $toDouble : "$geolocation.longitude" } , 
                { $toDouble: "$geolocation.latitude" } 
            ]
        }
    }]
);

{ "acknowledged" : true, "matchedCount" : 45716, "modifiedCount" : 45716 }

и мы наконец-то можем отправиться на поиски необнаруженных метеоритов, упавших в определенном районе:

> db.eml45k.find({ 
    "pointed_geolocation.coordinates" : {
        $geoWithin: {
            $geometry: {
                type : "Polygon" ,
                coordinates: [[
                    [ 47.0 , 33.0  ], 
                    [ 47.0 , 65.0 ], 
                    [ 169.0 , 65.0 ],
                    [ 169.0 ,  33.0 ],
                    [ 47.0 , 33.0 ]
                ]]
            }
        }
    },
    'fall': 'Fell'
},
{ 
    year: {$year: { "$toDate": "$year"}}, 
    "pointed_geolocation.coordinates": 1, 
    name: 1, 
    _id: 0 
}).sort( { year: -1 } )

Странно, я не знал, что Челябинский не значится в категории «найден».

Агрегируем и найдем сколько найдено и сколько нет:

db.eml45k.aggregate([
{ $match: { 
    "pointed_geolocation.coordinates" : {
        $geoWithin: {
            $geometry: {
                type : "Polygon" ,
                coordinates: [[
                    [ 47.0 , 33.0  ], 
                    [ 47.0 , 65.0 ], 
                    [ 169.0 , 65.0 ],
                    [ 169.0 ,  33.0 ],
                    [ 47.0 , 33.0 ]
                ]]
            }
        }
    }
} },
    {"$group" : {_id: "$fall", count: { $sum: 1 }}}
])

{ "_id" : "Fell", "count" : 26 }
{ "_id" : "Found", "count" : 63 }

Итого найдено 63 из 89, а __26__ — __не__ нашли, так что есть шанс :)

Использование индексов

Удалим все индексы в коллекции от прошлых экспериментов:

db.eml45k.dropIndexes()

{
        "nIndexesWas" : 1,
        "msg" : "non-_id indexes dropped for collection",
        "ok" : 1
}

Попробуем посмотреть оценочное время исполнения запроса:

db.eml45k.find({ 
    "pointed_geolocation.coordinates" : {
        $geoWithin: {
            $geometry: {
                type : "Polygon" ,
                coordinates: [[
                    [ 47.0 , 33.0  ], 
                    [ 47.0 , 65.0 ], 
                    [ 169.0 , 65.0 ],
                    [ 169.0 ,  33.0 ],
                    [ 47.0 , 33.0 ]
                ]]
            }
        }
    }
}).explain("executionStats").executionStats.executionTimeMillis
...
110
...
110
...
109

Итог — примерно в среднем 110 секунд.

Проиндексируем:

db.eml45k.createIndex( { "pointed_geolocation" : "2dsphere" } )

    {
        "ok" : 0,
        "errmsg" : "Index build failed: 98b9ead2-c156-4312-81af-1adf5896e3c9: Collection otus_003.eml45k ( 6db2d178-61b5-4627-8512-fcf919fe596f ) :: caused by :: Can't extract geo keys: { _id: ObjectId('5f838e30fb89bd9d553ae27f'), name: \"Bulls Run\", id: \"5163\", nametype: \"Valid\", recclass: \"Iron?\", mass: \"2250\", fall: \"Fell\", year: \"1964-01-01T00:00:00.000\", pointed_geolocation: { type: \"Point\", coordinates: [ null, null ] } }  Point must only contain numeric elements",
        "code" : 16755,
        "codeName" : "Location16755"
    }

Ошибка из-за NULL-значений, я что-то не нашел сходу как (кто знает?) ее при индексировании исключить из индекса, поэтому удалю ключи эти:

db.eml45k.updateMany(
    { "pointed_geolocation.coordinates" : [ null , null ] },     
    [{         
        $set: { "pointed_geolocation": null }
    }] 
);

Пробуем опять индекс:

db.eml45k.createIndex( { "pointed_geolocation" : "2dsphere" } )
    
    {
        "ok" : 0,
        "errmsg" : "Index build failed: d33b31d4-4778-4537-a087-58b7bd1968f3: Collection otus_003.eml45k ( 6db2d178-61b5-4627-8512-fcf919fe596f ) :: caused by :: Can't extract geo keys: { _id: ObjectId('5f838e35fb89bd9d553b3b8f'), name: \"Meridiani Planum\", id: \"32789\", nametype: \"Valid\", recclass: \"Iron, IAB complex\", fall: \"Found\", year: \"2005-01-01T00:00:00.000\", reclat: \"-1.946170\", reclong: \"354.473330\", geolocation: { latitude: \"-1.94617\", longitude: \"354.47333\" }, pointed_geolocation: { type: \"Point\", coordinates: [ 354.47333, -1.94617 ] } }  longitude/latitude is out of bounds, lng: 354.473 lat: -1.94617",
        "code" : 16755,
        "codeName" : "Location16755"
    }

Ошибка __longitude/latitude is out of bounds, lng: 354.473 lat: -1.94617__ и в документации https://docs.mongodb.com/manual/geospatial-queries/#geospatial-legacy

    Valid longitude values are between -180 and 180, both inclusive.
    Valid latitude values are between -90 and 90, both inclusive.

и 354.47333 не входит в диапазон от -180 до 180.

Очень странно, я сначала думал там нужно поправку везде на минус 180 сделать

(`$subtract: [{ $toDouble : "$geolocation.longitude" }, 180.0]`)

, но в итоге не все так просто.

Какие долготы не в диапазоне:

db.eml45k.find({"pointed_geolocation.coordinates.0": {$lt: -180}} ) # нет таких, так и должно быть
db.eml45k.find({"pointed_geolocation.coordinates.0": {$lt: 0}} ) #  такие есть, так и должно быть
db.eml45k.find({"pointed_geolocation.coordinates.0": {$gt: 180}} ) # всего один, и так не должно быть


    { "_id" : ObjectId("5f838e35fb89bd9d553b3b8f"), "name" : "Meridiani Planum", "id" : "32789", "nametype" : "Valid", "recclass" : "Iron, IAB complex", "fall" : "Found", "year" : "2005-01-01T00:00:00.000", "reclat" : "-1.946170", "reclong" : "354.473330", "geolocation" : { "latitude" : "-1.94617", "longitude" : "354.47333" }, "pointed_geolocation" : { "type" : "Point", "coordinates" : [ 354.47333, -1.94617 ] } }

В итоге только один метеорит имеет странные координаты. Поискав, выяснил, что этот метеорит Meridiani Planum был случайно найден марсоходом Opportunity в 2005 году
(http://old.mirf.ru/Articles/art2427_2.htm). Это (ВНИМАНИЕ) марсианский метеорит, найден (ВНИМАНИЕ) на Марсе. Вот NASA шутники.

Удалим его из коллекции.

db.eml45k.remove({"id" : "32789"})
WriteResult({ "nRemoved" : 1 })

Индексируем:

> db.eml45k.createIndex( { "pointed_geolocation" : "2dsphere" } )
{
        "createdCollectionAutomatically" : false,
        "numIndexesBefore" : 1,
        "numIndexesAfter" : 2,
        "ok" : 1
}

Замеряем:

db.eml45k.find({ 
    "pointed_geolocation.coordinates" : {
        $geoWithin: {
            $geometry: {
                type : "Polygon" ,
                coordinates: [[
                    [ 47.0 , 33.0  ], 
                    [ 47.0 , 65.0 ], 
                    [ 169.0 , 65.0 ],
                    [ 169.0 ,  33.0 ],
                    [ 47.0 , 33.0 ]
                ]]
            }
        }
    }
}).explain("executionStats").executionStats.executionTimeMillis

В итоге при перепроверках 104… 107… 106…

Как-то странно, не очень-то и шустрее.

Удалил индекс, проверил.

Без индекса и с индексом — одинаково.

Пробую отдельно для Челябинского:

db.eml45k.find(
    {"pointed_geolocation.coordinates" : [ 61.11667, 54.81667 ]}
).explain("executionStats").executionStats.executionTimeMillis

без индекса и с индексом — одинаково.

Нужно быть внимательнее, индекс же построен для поля pointed_geolocation, а в запросе участвует pointed_geolocation.coordinates.

В итоге, запрос:

db.eml45k.find({ 
    "pointed_geolocation" : {
        $geoWithin: {
            $geometry: {
                type : "Polygon" ,
                coordinates: [[
                    [ 47.0 , 33.0  ], 
                    [ 47.0 , 65.0 ], 
                    [ 169.0 , 65.0 ],
                    [ 169.0 ,  33.0 ],
                    [ 47.0 , 33.0 ]
                ]]
            }
        }
    }
}).explain("executionStats").executionStats.executionTimeMillis

без индекса 125, 123, 119, 123 миллисекунды, а с индексом — 7, 4, 4, 5.

Всё получилось.