面试题：MongoDB $lookup阶段深度优化及复杂场景应用

Question

存在多个分片的MongoDB集群环境中，有四个集合，集合Employee存储员工信息，有'_id'（员工ID）、'name'（姓名）；集合Department存储部门信息，有'_id'（部门ID）、'department_name'（部门名称）；集合Project存储项目信息，有'_id'（项目ID）、'project_name'（项目名称）；集合Task存储任务信息，有'_id'（任务ID）、'employee_id'（关联员工ID）、'project_id'（关联项目ID）、'department_id'（关联部门ID）。假设数据量非常大，要求通过$lookup阶段查询出每个部门及其员工列表，每个员工需显示姓名以及参与的项目名称列表和任务ID列表，同时要考虑查询性能优化，尽可能减少跨分片查询开销，阐述实现思路并给出具体代码示例。

Answer 1

实现思路

1. 首先，从Department集合开始查询，因为我们最终要获取每个部门及其相关信息。
2. 使用$lookup将Task集合连接到Department集合，通过department_id关联，这一步可以在同一分片内完成，如果department_id是分片键的一部分或者有合适的索引，性能会较好。
3. 然后通过$lookup将Employee集合连接到上一步的结果，通过employee_id关联，这一步同样可以优化，如果employee_id是分片键或有索引。
4. 再通过$lookup将Project集合连接到结果，通过project_id关联，同样要利用好索引或分片键。
5. 最后对结果进行整理，通过$unwind、$group等操作获取所需的格式。

具体代码示例

db.Department.aggregate([
    // 左外连接Task集合
    {
        $lookup: {
            from: "Task",
            localField: "_id",
            foreignField: "department_id",
            as: "tasks"
        }
    },
    // 展开tasks数组
    { $unwind: { path: "$tasks", preserveNullAndEmptyArrays: true } },
    // 左外连接Employee集合
    {
        $lookup: {
            from: "Employee",
            localField: "tasks.employee_id",
            foreignField: "_id",
            as: "employee"
        }
    },
    // 展开employee数组
    { $unwind: { path: "$employee", preserveNullAndEmptyArrays: true } },
    // 左外连接Project集合
    {
        $lookup: {
            from: "Project",
            localField: "tasks.project_id",
            foreignField: "_id",
            as: "project"
        }
    },
    // 展开project数组
    { $unwind: { path: "$project", preserveNullAndEmptyArrays: true } },
    // 分组整理结果
    {
        $group: {
            _id: "$_id",
            department_name: { $first: "$department_name" },
            employees: {
                $push: {
                    name: "$employee.name",
                    project_name_list: { $push: "$project.project_name" },
                    task_id_list: { $push: "$tasks._id" }
                }
            }
        }
    }
]);