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在MongoDB中实现聚合函数(mapreduce)

2016-04-12 13:31 691 查看


软件安装

首先在本地机器上安装并设置MongoDB服务。

Mongo网站上下载MongoDB,解压到本地目录,比如C:>Mongo

在上一个文件夹内创建数据目录。比如:C:\Mongo\Data

如果数据文件存放在其他地方,那么在用mongod.exe命令启动MongoDB时,需要在命令行加参数—-dbpath

启动服务

MongoDB提供了两种方式:mongod.exe以后台进程启动;mongo.exe启动命令行界面,可做管理操作。这两个可执行文件都位于Mongo\bin目录下;

进入Mongo安装目录的bin目录下,比如:C:> cd Mongo\bin

有两种启动方式,如下:
mongod.exe –dbpath C:\Mongo\data

或者
mongod.exe –config mongodb.config

mongodb.config是Mongo\bin目录下的配置文件,需要在此配置文件中指定数据目录(比如,dbpath= C:\Mongo\Data)的位置。

连接到MongoDB,到这一步,mongo后台服务已经启动,可以通过http://localhost:27017查看。 MongoDB启动运行后,我们接下来看它的聚合函数。


实现聚合函数

在关系数据库中,我们可以在数值型字段上执行包含预定义聚合函数的SQL语句,比如,SUM()、COUNT()、MAX()和MIN()。但是在MongoDB中,需要通过MapReduce功能来实现聚合以及批处理,它跟SQL里用来实现聚合的GROUP BY从句比较类似。下一节将描述关系数据库中SQL方式实现的聚合和相应的通过MongoDB提供的MapReduce实现的聚合。

为了讨论这个主题,我们考虑如下所示的Sales表,它以MongoDB中的反范式形式呈现。

Sales表

#
列名
数据类型
1
OrderId
INTEGER
2
OrderDate
STRING
3
Quantity
INTEGER
4
SalesAmt
DOUBLE
5
Profit
DOUBLE
6
CustomerName
STRING
7
City
STRING
8
State
STRING
9
ZipCode
STRING
10
Region
STRING
11
ProductId
INTEGER
12
ProductCategory
STRING
13
ProductSubCategory
STRING
14
ProductName
STRING
15
ShipDate
STRING


基于SQL和MapReduce的实现

我们提供了一个查询的样例集,这些查询使用聚合函数、过滤条件和分组从句,及其等效的MapReduce实现,即MongoDB实现SQL中GROUP BY的等效方式。在MongoDB存储的文档上执行聚合操作非常有用,这种方式的一个限制是聚合函数(比如,SUM、AVG、MIN、MAX)需要通过mapper和reducer函数来定制化实现。

MongoDB没有原生态的用户自定义函数(UDFs)支持。但是它允许使用db.system.js.save命令来创建并保存JavaScript函数,JavaScript函数可以在MapReduce中复用。下表是一些常用的聚合函数的实现。稍后,我们会讨论这些函数在MapReduce任务中的使用。

聚合函数Javascript 函数
SUM

db.system.js.save( { _id : "Sum" ,
value : function(key,values)
{
    var total = 0;
    for(var i = 0; i < values.length; i++)
        total += values[i];
    return total;
}});

AVERAGE

db.system.js.save( { _id : "Avg" ,
value : function(key,values)
{
    var total = Sum(key,values);
    var mean = total/values.length;
    return mean;
}});

MAX

db.system.js.save( { _id : "Max" ,
value : function(key,values)
{
    var maxValue=values[0];
    for(var i=1;i

MIN

db.system.js.save( { _id : "Min" ,
value : function(key,values)
{
    var minValue=values[0];
    for(var i=1;i

VARIANCE

db.system.js.save( { _id : "Variance" ,
value : function(key,values)
{
    var squared_Diff = 0;
    var mean = Avg(key,values);
    for(var i = 0; i < values.length; i++)
    {
        var deviation = values[i] - mean;
        squared_Diff += deviation * deviation;
    }
    var variance = squared_Diff/(values.length);
    return variance;
}});

STD DEVIATION

db.system.js.save( { _id : "Standard_Deviation"
, value : function(key,values)
{
    var variance = Variance(key,values);
    return Math.sqrt(variance);
}});

SQL和MapReduce脚本在四种不同的用例场景中实现聚合函数的代码片段如下表所示。

1.各地区的平均订单量

下面的查询是用来获取不同地区的平均订单量。
SQL Query
MapReduce Functions
SELECT

db.sales.runCommand(
{
mapreduce : "sales" ,

  

City,


State,


Region,

map:function()
{ // emit function handles the group by
        emit( {
        // Key
        city:this.City,
        state:this.State,
        region:this.Region},
        // Values
        this.Quantity);
},

  

AVG(Quantity)

reduce:function(key,values)
{
    var result = Avg(key, values);
    return result;
}

FROM sales

 
GROUP BY City, State, Region

// Group By is handled by the emit(keys, values)
line in the map() function above

 
out : { inline : 1 } });

2.产品的分类销售总额

下面的查询是用来获取产品的分类销售额,根据产品类别的层级分组。在下面例子中,不同的产品类别作为个体维度,它们也可以被称为更复杂的基于层次的维度。

SQL 查询
MapReduce 函数
SELECT

db.sales.runCommand(
{
mapreduce : "sales" ,

 

ProductCategory, ProductSubCategory, ProductName,

map:function()
{
        emit(
        // Key
        {key0:this.ProductCategory,
        key1:this.ProductSubCategory,
        key2:this.ProductName},
        // Values
        this.SalesAmt);
},

 

 
SUM(SalesAmt)

reduce:function(key,values)
{
    var result = Sum(key, values);
    return result;
}

FROM sales

 
GROUP BY ProductCategory, ProductSubCategory, ProductName

// Group By is handled by the emit(keys, values)
line in the map() function above

 
out : { inline : 1 } });

 
 3. 一种产品的最大利润

下面的查询是用来获取一个给定产品基于过滤条件的最大利润。

SQL查询
MapReduce 函数
SELECT

db.sales.runCommand(
{
mapreduce : "sales" ,

 

 

 
ProductId, ProductName,

map:function()
{
    if(this.ProductId==1)
        emit( {
            key0:this.ProductId,
            key1:this.ProductName},
            this.Profit);
},

 

MAX(SalesAmt)

reduce:function(key,values)
{
    var maxValue=Max(key,values);
    return maxValue;
}

FROM sales

 
WHERE ProductId=’1’

// WHERE condition implementation is provided in
map() function

GROUP BY ProductId, ProductName

// Group By is handled by the emit(keys, values)
line in the map() function above

 
out : { inline : 1 } });

4. 总量、总销售额、平均利润

这个场景的需求是计算订单的总数、总销售额和平均利润,订单ID在1到10之间,发货时间在2011年的1月1日到12月31日之间。下面的查询是用来执行多个聚合,比如,在指定年份以及指定的不同区域和产品类别范围里订单的总数、总销售额和平均利润。
SQL 查询
MapReduce 函数
SELECT

db.sales.runCommand(
{ mapreduce : "sales" ,

 

  

Region,


ProductCategory,


ProductId,

map:function()
{
    emit( {
        // Keys
        region:this.Region,
        productCategory:this.ProductCategory,
        productid:this.ProductId},

        // Values
        {quantSum:this.Quantity,
        salesSum:this.SalesAmt,
        avgProfit:this.Profit} );
}

 

 

 

 
Sum(Quantity),


 
Sum(Sales),


 
Avg(Profit)

reduce:function(key,values)
{
    var result=
{quantSum:0,salesSum:0,avgProfit:0};
    var count = 0;
    values.forEach(function(value)
    {
        // Calculation of Sum(Quantity)
        result.quantSum += values[i].quantSum;
        // Calculation of Sum(Sales)
        result.salesSum += values[i].salesSum;
        result.avgProfit += values[i].avgProfit;
        count++;
    }
    // Calculation of Avg(Profit)
    result.avgProfit = result.avgProfit / count;
    return result;
},

FROM Sales

 
WHERE

 
Orderid between 1 and 10 AND


Shipdate BETWEEN ‘01/01/2011’ and


‘12/31/2011’

query : {
        "OrderId" : { "$gt" : 1 },
        "OrderId" : { "$lt" : 10 },
        "ShipDate" : { "$gt" : "01/01/2011" },
        "ShipDate" : { "$lt" : "31/12/2011" },
},

GROUP BY


Region, ProductCategory, ProductId

// Group By is handled by the emit(keys, values)
line in the map() function above

LIMIT 3;

limit : 3,

 
out : { inline : 1 } });

 既然我们已经看了在不同业务场景下的聚合函数的代码示例,接下来我们准备来测试这些函数。


测试聚合函数

MongoDB的MapReduce功能通过数据库命令来调用。Map和Reduce函数在前面章节里已经使用JavaScript实现。下面是执行MapReduce函数的语法。

db.runCommand(

    { mapreduce : <collection>,

        map : <mapfunction>,

        reduce : <reducefunction>

        [, query : <query filter object>]

        [, sort : <sorts the input objects using this key. Useful for
optimization, like sorting by the emit key for fewer reduces>]

        [, limit : <number of objects to return from collection>]

        [, out : <see output options below>]

        [, keeptemp: <true|false>]

        [, finalize : <finalizefunction>]

        [, scope : <object where fields go into javascript global scope >]

        [, jsMode : true]

        [, verbose : true]

    }

)

Where the Output Options include:

{ replace : "collectionName" }

{ merge : "collectionName"

{ reduce : "collectionName" }

{ inline : 1}
 
 下面是用来保存聚合函数并在MapReduce中使用的命令。

启动Mongo命令行并设置表

确保Mongo后台进程在运行,然后执行mongo.exe启动Mongo命令行。

使用命令切换数据库:use mydb

使用命令查看Sales表的内容:db.sales.find()

find命令的输出如下:
{ "_id" : ObjectId("4f7be0d3e37b457077c4b13e"), "_class" : "com.infosys.mongo.Sales", "orderId" : 1, "orderDate" : "26/03/2011",
"quantity" : 20, "salesAmt" : 200, "profit" : 150, "customerName" : "CUST1", "productCategory" : "IT", "productSubCategory" : "software",
"productName" : "Grad", "productId" : 1 }
{ "_id" : ObjectId("4f7be0d3e37b457077c4b13f"), "_class" : "com.infosys.mongo.Sales", "orderId" : 2, "orderDate" : "23/05/2011",
"quantity" : 30, "salesAmt" : 200, "profit" : 40, "customerName" : "CUST2", "productCategory" : "IT", "productSubCategory" : "hardware",
"productName" : "HIM", "productId" : 1 }
{ "_id" : ObjectId("4f7be0d3e37b457077c4b140"), "_class" : "com.infosys.mongo.Sales", "orderId" : 3, "orderDate" : "22/09/2011",
"quantity" : 40, "salesAmt" : 200, "profit" : 80, "customerName" : "CUST1", "productCategory" : "BT", "productSubCategory" : "services",
"productName" : "VOCI", "productId" : 2 }
{ "_id" : ObjectId("4f7be0d3e37b457077c4b141"), "_class" : "com.infosys.mongo.Sales", "orderId" : 4, "orderDate" : "21/10/2011",
"quantity" : 30, "salesAmt" : 200, "profit" : 20, "customerName" : "CUST3", "productCategory" : "BT", "productSubCategory" : "hardware",
"productName" : "CRUD", "productId" : 2 }
{ "_id" : ObjectId("4f7be0d3e37b457077c4b142"), "_class" : "com.infosys.mongo.Sales", "orderId" : 5, "orderDate" : "21/06/2011",
"quantity" : 50, "salesAmt" : 200, "profit" : 20, "customerName" : "CUST3", "productCategory" : "BT", "productSubCategory" : "hardware",
"productName" : "CRUD", "productId" : 1 }


 

创建并保存聚合函数 

通过MongoDB命令行窗口执行如下命令:
> db.system.js.save( { _id : "Sum" ,
value : function(key,values)
{
    var total = 0;
    for(var i = 0; i < values.length; i++)
        total += values[i];
    return total;
}}); 


在示例表Sales表上执行MapReduce程序
> db.sales.runCommand(
{
mapreduce : "sales" ,
map:function()
{
emit(
{key0:this.ProductCategory,
key1:this.ProductSubCategory,
key2:this.ProductName},
this.SalesAmt);
},
reduce:function(key,values) {     var result = Sum(key, values);     return result; }
out : { inline : 1 } });


输出如下:
"results" : [
        {
                "_id" : {
                        "key0" : "BT",
                        "key1" : "hardware",
                        "key2" : "CRUD"
                },
                "value" : 400
        },
        {
                "_id" : {
                        "key0" : "BT",
                        "key1" : "services",
                        "key2" : "VOCI"
                },
                "value" : 200
        },
        {
                "_id" : {
                        "key0" : "IT",
                        "key1" : "hardware",
                        "key2" : "HIM"
                },
                "value" : 200
        },

        {
                "_id" : {
                        "key0" : "IT",
                        "key1" : "software",
                        "key2" : "Grad"
                },
                "value" : 200
        }
],
"timeMillis" : 1,
"timing" : {
        "mapTime" : NumberLong(1),
        "emitLoop" : 1,
        "total" : 1
},
"counts" : {
        "input" : 5,
        "emit" : 5,
        "output" : 4
},
"ok" : 1


总结

MongoDB提供了面向文档的存储结构,可以很容易扩展支持TB级数据。同时也提供了Map Reduce功能,可以通过批处理方式使用类SQL函数来实现数据聚合。在这篇文章中,我们描述了安装MongoDB并使用MapReduce特性执行聚合函数的过程,也提供了简单SQL聚合的MapReduce示例实现。在MongoDB中,更复杂的聚合函数也可以通过使用MapReduce功能实现。
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