一. 前言

本教程是入门基础教程，主要是笔者在项目中使用MongoDB .Net官方驱动对MongoDB内嵌文档的操作时遇到了很多不方便的情况，踩了很多的坑，所以单独整理出来一篇文章，来讲一讲笔者踩坑的过程。

笔者水平有限，如有错误还请批评指正！

(一). 运行环境

.net版本

.Net Framwork 4.6.2 x64

MongoDb数据库版本

MongoDb 3.6.2 x64

驱动版本

MongoDb Driver 2.5

笔者采用的MongoDB驱动是官方2.5版本驱动，大家可以通过下载GitHub源码自行编译，或者通过NuGet包管理工具安装。
GitHub地址：戳一戳查看、Link
NuGet地址：戳一戳查看、Link

本例源码已上传至Gitee

本例源码地址：戳一戳、Link

二. 前期准备工作

（一）. 创建 MongoDBContext MongoDb操作上下文类

创建MongoDBContext操作上下文类,用于连接Mongodb数据库和管理Collection对象

using MongoDB.Bson;
using MongoDB.Driver;
using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Security.Authentication;
using System.Threading.Tasks;

namespace MongoDBEmbeddedOperation
{
    public class MongoDbContext
    {
        #region Fields
        /// <summary>
        /// 缓存Mongodb集合
        /// </summary>
        private Dictionary<string, object> _collectionsMongoDb;

        #endregion

        #region Properties
        /// <summary>
        /// 数据库连接字符串
        /// </summary>
        public string ConnectionString { get; }

        /// <summary>
        /// Mongo客户端设置
        /// </summary>
        public MongoClientSettings Settings { get; }

        /// <summary>
        /// 数据库名称
        /// </summary>
        public string DatabaseName { get; }

        /// <summary>
        /// Mongo上下文 
        /// </summary>
        public IMongoDatabase DbContext { get; }
        #endregion

        /// <summary>
        /// MongoDb数据上下文
        /// </summary>
        /// <param name="connectionString">
        /// 连接字符串，如："mongodb://username:password@host:port/[DatabaseName]?ssl=true"
        /// 详情参见：http://www.runoob.com/mongodb/mongodb-connections.html
        /// </param>
        public MongoDbContext(string connectionString)
        {
            if (string.IsNullOrWhiteSpace(connectionString))
                throw new ArgumentException("connectionString 连接字符串不能为空!");

            try
            {
                var mongoUrl = new MongoUrl(connectionString);
                ConnectionString = connectionString;
                Settings = MongoClientSettings.FromUrl(mongoUrl);

                if (string.IsNullOrWhiteSpace(mongoUrl.DatabaseName))
                    throw new ArgumentException("数据库名称不能为空！");

                DatabaseName = mongoUrl.DatabaseName;
                // SSL加密
                if (Settings.UseSsl)
                {
                    Settings.SslSettings = new SslSettings
                    {
                        EnabledSslProtocols = SslProtocols.Tls12
                    };
                }

                var mongoClient = new MongoClient(Settings);
                DbContext = mongoClient.GetDatabase(DatabaseName);
            }
            catch (Exception e)
            {
                // TODO: 记录错误日志
                throw;
            }
        }

        /// <summary>
        /// 异步获取集合
        /// </summary>
        /// <typeparam name="TEntity"></typeparam>
        /// <returns></returns>
        public async Task<IMongoCollection<TEntity>> GetCollectionAsync<TEntity>() where TEntity : class
        {
            // 集合缓存如果为空，那么创建一个
            if (_collectionsMongoDb == null)
            {
                _collectionsMongoDb = new Dictionary<string, object>();
            }

            // 获取集合名称，使用的标准是在实体类型名后添加Set
            var collectionName = $"{typeof(TEntity).Name}Set";

            // 如果集合不存在，那么创建集合
            if (false == await IsCollectionExistsAsync<TEntity>())
            {
                await DbContext.CreateCollectionAsync(collectionName);
            }

            // 如果缓存中没有该集合，那么加入缓存
            if (!_collectionsMongoDb.ContainsKey(collectionName))
            {
                _collectionsMongoDb[collectionName] = DbContext.GetCollection<TEntity>(collectionName);
            }

            // 从缓存中取出集合返回
            return (IMongoCollection<TEntity>)_collectionsMongoDb[collectionName];
        }

        /// <summary>
        /// 集合是否存在
        /// </summary>
        /// <typeparam name="TEntity"></typeparam>
        /// <returns></returns>
        public async Task<bool> IsCollectionExistsAsync<TEntity>()
        {
            var filter = new BsonDocument("name", $"{typeof(TEntity).Name}Set");
            // 通过集合名称过滤
            var collections = await DbContext.ListCollectionsAsync(new ListCollectionsOptions { Filter = filter });
            // 检查是否存在
            return await collections.AnyAsync();
        }
    }
}

（二）. 创建测试类

假设当前是一个物联网数据采集项目，其中有很多个传感器节点(SensorNode)，每个节点都会产生记录(Records),一条记录(Record)由数据值(Data)和记录时间(RecordDateTime)组成。要求对其Recods内嵌数组进行增删改查操作。

那么由上需求可以抽象出如下对象关系，在实际应用中，不建议将记录直接放在SensorNode下，因为Mongodb数据库对单个文档有16MB的大小限制。

    /// <summary>
    /// 传感器节点
    /// </summary>
    public class SensorNode
    {
        /// <summary>
        /// ID
        /// </summary>
        public ObjectId Id { get; set; }

        /// <summary>
        /// 记录数
        /// </summary>
        public List<Record> Records { get; set; }
    }

    /// <summary>
    /// 数据记录
    /// </summary>
    public class Record
    {
        /// <summary>
        /// 数据值
        /// </summary>
        public double Data { get; set; }

        /// <summary>
        /// 记录时间
        /// </summary>
        public DateTime RecorDateTime { get; set; }
    }

测试类所对应的Bson结构，如下所示.

{
    "_id" : ObjectId("5aa877e4aa25752ab4d4cae3"),
    "Records" : [ { "Data" : 1962163552.0, "RecorDateTime" : ISODate("2018-03-16T10:01:14.931Z") }, { "Data" : 1111405346.0, "RecorDateTime" : ISODate("2018-03-16T08:53:14.931Z") }, ...... ] }

（三）. 创建测试代码

新建一个控制台程序，加入以下代码。对MongodbContext进行初始化，插入用于测试的SensorNode.

using System;
using System.Collections.Generic;
using System.Text;
using System.Threading.Tasks;
using MongoDB.Bson;
using MongoDB.Driver.Linq; // <---- 此引用非常重要
using MongoDB.Driver;

......

private static ObjectId _sensorNodeId;
private static MongoDbContext _dbContext;
private static IMongoCollection<SensorNode> _sensorNodes;
static void Main(string[] args)
{
    // 使用链接字符串创建dbContext对象
    _dbContext = new MongoDbContext("mongodb://hynuAdmin:123456@localhost:27017/HynuIOTA");
    // 创建_Sensors数据库,入口方法不能使用异步，我们等待结果返回
    _sensorNodes = _dbContext.GetCollectionAsync<SensorNode>().Result;
    // 创建一个SensorNode 存入MongoDb数据库中
    _sensorNodeId = ObjectId.Parse("5aa877e4aa25752ab4d4cae3");
    #region 创建测试用例
    var sensorNode = new SensorNode()
    {
        Id = _sensorNodeId,
        Records = new List<Record>()
    };
    // 插入数据库中
    _sensorNodes.InsertOne(sensorNode);
    #endregion
}

添加一个方法，用于随机生成Record对象。

/// <summary>
/// 生成count个Rocred对象
/// </summary>
/// <param name="count">生成数量</param>
/// <returns></returns>
static List<Record> GetRandomRecord(int count)
{
    var records = new List<Record>();
    var rd = new Random();
    for (int i = 0; i < count; i++)
    {
        records.Add(new Record()
        {
            Data = rd.Next(),
            RecorDateTime = DateTime.Now.AddMinutes(rd.Next() % 100)
        });
    }
    return records;
}

三. 内嵌数组增加元素操作

（一）. Update.Set()方法 替换内嵌数组（不推荐使用）

此方法主要使用操作符[$set]，它的思路是先将内嵌文档的父元素查找出来，然后对子文档数组进行增删改操作，最后将子文档数组重新替换。此方式性能较低，除非涉及到大批量更改，否则不推荐使用。

    #region 方法一. 查出sensor再更新Records, $set操作 - 随机插入100个元素(不推荐)
    // 查询需修改的sensorNode对象
    var sensor = await _sensorNodes.Find(s => s.Id == _sensorNodeId).FirstOrDefaultAsync();
    // 往Records里面增加随机元素
    sensor.Records.AddRange(GetRandomRecord(100));
    // 构建update Bson, 将原有Records替换为新的Records
    var update = Builders<SensorNode>.Update.Set(d => d.Records, sensor.Records);
    // 使用Update方法
    await _sensorNodes.UpdateOneAsync(s => s.Id == _sensorNodeId, update);
    #endregion

（二）.Update.Push()方法 直接将元素压入内嵌数组（推荐）

此方法主要使用操作符[$push]来增加元素到子文档数组，性能好，推荐使用。

// 构建update Bson ,添加一条记录使用Push方法
var updateOne = Builders<SensorNode>.Update.Push(d => d.Records, GetRandomRecord(1).First());
// 更新
await _sensorNodes.UpdateOneAsync(s => s.Id == _sensorNodeId, updateMany);

（三）.Update.PushEach()方法 将多个元素压入内嵌数组（推荐）

此方法使用的也是[$push]操作符，只是在生成BsonDocument时允许接收数组。

#region 方法二. $push操作 - 随机插入100个元素(推荐)
// 构建update Bson 添加多条记录使用PushEach方法
var updateMany = Builders<SensorNode>.Update.PushEach(d => d.Records, GetRandomRecord(100));
// 更新
await _sensorNodes.UpdateOneAsync(s => s.Id == _sensorNodeId, updateMany);
#endregion

四. 内嵌数组删除元素操作

（一） .Update.Set()方法 替换内嵌数组（不推荐使用）

此方式思路和增加元素的思路一致，性能较低，不推荐使用。

#region 方法一 . $set方式删除 - 删除前5个元素(不推荐)
// 查询需修改的sensorNode对象
var sensor = await _sensorNodes.Find(s => s.Id == _sensorNodeId).FirstOrDefaultAsync();
// 删除Record
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
    sensor.Records.RemoveAt(i);
}
// 构建update Bson, 将原有Records替换为新的Records
var update = Builders<SensorNode>.Update.Set(d => d.Records, sensor.Records);
// 使用Update方法
await _sensorNodes.UpdateOneAsync(s => s.Id == _sensorNodeId, update);
#endregion

（二）.Update.Pull()方法 Pull删除一个元素（推荐）

// 假设需要删除的Record已经被查询转换为对象，那么使用Pull方式删除一个元素
var record = new Record() 
{ Data = 1670941112.0, RecorDateTime = DateTime.Parse("2018-03-16T09:36:14.930Z") };
// 构建Pull删除Bson
var update = Builders<SensorNode>.Update.Pull(s => s.Records, record);
// 使用Update方法
await _sensorNodes.UpdateOneAsync(s => s.Id == _sensorNodeId, update);

（三）.Update.PullFilter()方法 删除过滤器删除元素（推荐）

#region 方法三. PullFilter方式删除 - 删除符合Filter条件的元素(推荐)
// 如果r.Data == 339119843.0，那么从数组中删除
var update = Builders<SensorNode>.Update.PullFilter(s => s.Records, r => r.Data == 339119843.0);
await _sensorNodes.UpdateOneAsync(s => s.Id == _sensorNodeId, update);
#endregion

五. 内嵌数组修改元素操作

（一）.Update.Set() Set先查询后修改（不推荐）

此方式性能较低，不推荐。

#region 方法一. $set方式修改(将某个元素记录时间改为最小值) - 先查询后修改(不推荐)
// 查询需修改的sensorNode对象
var sensor = await _sensorNodes.Find(s => s.Id == _sensorNodeId).FirstOrDefaultAsync();
// 修改Record值
sensor.Records[0].RecorDateTime = DateTime.MinValue;
// 构建update Bson, 将原有Records替换为新的Records
var update = Builders<SensorNode>.Update.Set(d => d.Records, sensor.Records);
// 使用Update方法
await _sensorNodes.UpdateOneAsync(s => s.Id == _sensorNodeId, update);
#endregion

（二）.Update.Set() 配合过滤器修改（推荐）

在数据库内部完成过滤和修改，性能高，推荐使用。

#region 方法二. $set方式修改(将Data = 1835821478.0的元素记录时间改为最大值) - 直接过滤修改(推荐)
// 构造filter 
var filter = Builders<SensorNode>.Filter.Where(s => s.Id == _sensorNodeId) 
& Builders<SensorNode>.Filter.Where(d => d.Records.Any(r => r.Data == 1835821478.0));
// 执行更新
var update = Builders<SensorNode>.Update.Set(d => d.Records[-1].RecorDateTime, DateTime.MaxValue);
await _sensorNodes.UpdateOneAsync(filter, update);
#endregion

六. 内嵌数组查找元素操作(Linq)

对于内嵌数组/文档的查询，在.net里建议直接使用Linq或拼接BsonDocument。笔者着重使用Linq方式。

需要先using MongoDB.Driver.Linq,否则Linq无法使用。

（一）.Linq查询一条记录（推荐）

主要是SelectMany()方法的使用，此方法用于选择一个数组。

#region SelectMany查询内嵌数组(查询Data = 1340695206.0的第一条记录) - (推荐)
// 转换为Queryable
var result = await _sensorNodes.AsQueryable()
    // 查找对应的sensorNode
    .Where(s => s.Id == _sensorNodeId)
    // 选择Records内嵌数组
    .SelectMany(s => s.Records)
    // 查找Data == 1340695206.0的元素
    .Where(r => r.Data == 1340695206.0)
    // 取第一个
    .FirstOrDefaultAsync();
#endregion

（二）.Linq查询分页 (推荐)

主要区别使用SelectMany其它与EF Linq方式差不多

#region SelectMany、Skip、Take内嵌数组排序分页 - (推荐)
// 页码
var index = 4;
// 页面大小
var size = 10;
// 转换为Queryable
var page = await _sensorNodes.AsQueryable()
    // 查找对应的sensorNode
    .Where(s => s.Id == _sensorNodeId)
    // 选择Records内嵌数组
    .SelectMany(s => s.Records)
    // 根据记录时间排序
    .OrderBy(r => r.RecorDateTime)
    // 跳过 index - 1页数据
    .Skip((index - 1) * size)
    // 选取一页数据
    .Take(size)
    // 转换为集合
    .ToListAsync();
#endregion

对内嵌数组的查询操作主要是通过聚合来实现，以上代码转换为Native方式后是以下命令。

aggregate(
[
    {"$match" : { "_id" : ObjectId("5aa877e4aa25752ab4d4cae3") } }, 
    { "$unwind" : "$Records" }, 
    { "$project" : { "Records" : "$Records", "_id" : 0 } }, 
    { "$sort" : { "Records.RecorDateTime" : 1 } }, { "$skip" : 30 }, { "$limit" : 10 }
]);

如果同时引用了System.Linq 和 MongoDB.Driver.Linq 调用Linq方法会产生方法二义性，解决方案链接如下。
Linq方法二义性解决方案：
http://blog.csdn.net/qq_27441069/article/details/79586216

七. 总结

  本文简单的介绍了MongoDB C#驱动对内嵌文档的增删改查操作，笔者水平有限，如有错误请批评指正！
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