面试题：MongoDB多集合关联查询中的指定列投影优化

Question

有两个集合，‘students’集合包含学生基本信息{‘student_id’: 1, ‘name’: ‘Bob’, ‘class_id’: 101}，‘classes’集合包含班级信息{‘class_id’: 101, ‘class_name’: ‘Math Class’, ‘teacher’: ‘Mr. Smith’}。通过$lookup进行左外连接，查询出所有学生的‘name’、所在班级的‘class_name’，并且要求查询语句在大数据量下有较好的性能，说明如何利用投影操作优化查询性能。

Answer 1

在 MongoDB 中，我们可以使用以下聚合管道来实现通过 $lookup 进行左外连接，并查询出所需信息。同时，利用投影操作优化查询性能。

db.students.aggregate([
    {
        $lookup: {
            from: "classes",
            localField: "class_id",
            foreignField: "class_id",
            as: "class_info"
        }
    },
    {
        $unwind: {
            path: "$class_info",
            preserveNullAndEmptyArrays: true
        }
    },
    {
        $project: {
            name: 1,
            class_name: "$class_info.class_name",
            _id: 0
        }
    }
]);

性能优化说明：

1. 投影操作（$project）：在最终的结果投影阶段，只选择需要的字段 name 和 class_name，并排除 _id 字段（如果不需要的话）。这样可以减少返回的数据量，从而提高查询性能，特别是在大数据量的情况下。因为网络传输的数据量和处理的数据量都会相应减少。
2. $unwind 中的 preserveNullAndEmptyArrays：使用 preserveNullAndEmptyArrays 选项可以确保即使没有匹配到班级信息，学生的记录也会保留在结果中，符合左外连接的语义。同时，在大数据量下，这样的设置能保证数据处理的完整性，不会丢失数据。
3. 索引优化：虽然题目未明确要求，但为了进一步提升性能，在 students 集合的 class_id 字段和 classes 集合的 class_id 字段上创建索引，可以显著加速 $lookup 操作。例如：

db.students.createIndex({class_id: 1});
db.classes.createIndex({class_id: 1});