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1 `GridFS` 简介

GridFS文件系统是MongoDB存储大文件的一种规范，所有官方的MongoDB驱动都遵循该规范。它解决了BSON文档大小不能超过16M的问题。

GridFS不是将文件存储在单个文档中，而是将文件分成多个数据块，并将每个块存储为单独的文档。默认情况下，GridFS使用的默认数据块大小为255 kB;也就是说，除了最后一个数据块外，GridFS将一个文件划分为255 kB的小块。

GridFS使用两个集合来存储文件。一个集合存储文件的数据块，另一个集合存储文件元数据，像文件名称、大小、创建日期等。

当您在使用GridFS查询文件时，会根据需要重新组装这些数据块。另外GridFS不仅可以存储操过16MB的文件，还可以访问大文件的部分信息而不必将整个文件加载到内存中。

使用GridFS的方式有以下两种：

使用程序接口的方式，利用MongoDB对各程序语言的提供的驱动对文件进行操作。
使用mongofiles命令行工具。

2 `GridFS` 集合

GridFS将文件存储在两个集合中:

chunks：存储二进制块
files：存储文件的元数据

GridFS通过在每个集合前面加上前缀，将这两个集合放在一个公共容器：bucket（命名空间）中。默认情况下，GridFS使用两个集合，一个容器名为fs:

fs.files
fs.chunks

官方的英语文档描述的更加形象：The two collections are in a common bucket and the collection names are prefixed with the bucket name.

2.1 chunks集合

{
  "_id" : <ObjectId>,
  "files_id" : <ObjectId>,
  "n" : <num>,
  "data" : <binary>
}

ObjectId: 一种特殊的BSON类型，它保证集合内的唯一性。

ObjectId值的长度为12个字节，包括: 4 byte 时间戳、5 byte 随机数、3 byte 增长量

chunks._id：数据块的标识
chunks.files_id：所属文件的标识
chunks.n：块的序列号。GridFS给所有块编号，从0开始。
chunks.data ：数据块中装载的数据，Binary类型。

2.2 files集合

{
  "_id" : <ObjectId>,
  "length" : <num>,
  "chunkSize" : <num>,
  "uploadDate" : <timestamp>,
  "md5" : <hash>,
  "filename" : <string>,
  "contentType" : <string>,
  "aliases" : <string array>,
  "metadata" : <any>,
}

files._id：文件标识
files.length：文件长度
files.chunkSize：每个块的大小(以字节为单位)。GridFS将文档分成大小为chunkSize的块，但最后一个块的大小仅根据需要而定。默认大小是255kb。
files. uploadDate ：文件第一次被GridFS存储的日期。该值具有日期类型。
files.md5： MD5算法被FIPS 140-2禁止。MongoDB驱动程序已弃用MD5支持，并将在未来版本中删除MD5生成。需要文件摘要的应用程序应该在GridFS之外实现它，并存储在files.metadata中。
files.filename：可读的GridFS文件名称。
files.metadata：可选的。元数据字段可以是任何数据类型，可以保存您想要存储的任何附加信息。

3 `mongofiles`工具

3.1 `mongofiles`作用

mongofiles工具可以通过命令行操作MongoDB实例中GridFS对象中存储的文件。它提供了存储在文件系统和GridFS中的对象之间的接口。

从MongoDB4.4 开始，mongofiles从MongoDB服务器单独发布，并使用自己的版本控制，初始版本为100.0.0。在此之前，mongofiles是与MongoDB一起发布的，并使用了匹配的版本控制。

3.2 安装 `mongofiles`

windows环境

根据之前安装MongoDB实例，选择下载工具的版本。之前MongoDB使用的是zip免安装的形式，所以这里下载mongodb-database-tools-windows-x86_64-100.2.zip。

将下载的文件解压到任意位置，再将mongofiles工具目录下的bin目录添加到系统的Path环境变量中。

Linux环境（ubuntu）

qiusj@u20:~$ cat /etc/os-release
NAME="Pop!_OS"
VERSION="20.04 LTS"
ID=pop
ID_LIKE="ubuntu debian"
PRETTY_NAME="Pop!_OS 20.04 LTS"
VERSION_ID="20.04"
HOME_URL="https://pop.system76.com"
SUPPORT_URL="https://support.system76.com"
BUG_REPORT_URL="https://github.com/pop-os/pop/issues"
PRIVACY_POLICY_URL="https://system76.com/privacy"
VERSION_CODENAME=focal
UBUNTU_CODENAME=focal
LOGO=distributor-logo-pop-os
#查看Linux内核版本
qiusj@u20:~$ arch
x86_64

下载合适的版本，可以下载后使用sftp传输到Linux，也可以使用curl命令下载：

$ curl -o mongodb-database-tools.tgz https://fastdl.mongodb.org/tools/db/mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1.tgz
  % Total    % Received % Xferd  Average Speed   Time    Time     Time  Current
                                 Dload  Upload   Total   Spent    Left  Speed
100 64.0M  100 64.0M    0     0  1222k      0  0:00:53  0:00:53 --:--:-- 2106k

$ ll
总用量 128560
drwxr-xr-x  5 qiusj intplanet     4096 1月  28 17:00 ./
drwxr-xr-x  6 qiusj intplanet     4096 1月   5 09:42 ../
-rw-r--r--  1 qiusj intplanet 67211368 1月  28 17:00 mongodb-database-tools.tgz

#解压
$ tar -zxvf mongodb-database-tools.tgz 
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/LICENSE.md
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/README.md
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/THIRD-PARTY-NOTICES
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/bsondump
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/mongodump
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/mongoexport
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/mongofiles
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/mongoimport
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/mongorestore
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/mongostat
mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin/mongotop

#将解压的文件bin目录下的命令复制到/usr/local/bin/目录下
$ cd mongodb-database-tools-ubuntu2004-x86_64-100.2.1/bin
$ sudo cp * /usr/local/bin
$ mongofiles --version
mongofiles version: 100.2.1
git version: 0cb6f592fcb425ee5b3d5540341de75531d28dac
Go version: go1.12.17
   os: linux
   arch: amd64
   compiler: gc

3.3 基本使用

mongofiles命令的语法格式如下：

mongofiles <options> <connection-string> <command> <filename or _id>

options主要配置mongofiles的一些读写优先级。
connection-string是连接mongod/mongos的配合信息，如host、port、安全认证等相关配置。
command是mongofiles具体的文件操作，如导入、导出、查询等。

对于副本集，mongofiles只能从主节点读。

当启动安全认证后，mongofiles连接的用户需要有read权限（list、earch、get等命令）和readWrite权限（put、delete等命令）

常用Options配置项：

options	description
--help	返回 mongofiles 的配置项和使用信息
--version	返回 mongofiles 的版本信息
--uri	指定MongoDB 的连接信息，如： --uri="mongodb://[username:password@]host1[:port1][,host2[:port2],...[,hostN[:portN]]][/[database][?options]]"
--config	指定配置文件，以配置文件的形式启动

**Commands: **

命令	说明
list <prefix>	列出`GridFS`存储的文件。<prefix>用于筛选返回列表中以 prefix字符串为前缀的文件。
search <string>	列出`GridFS`中名称与<string>的任何部分匹配的文件。
put <filename1[ filename2] ...>	将指定的文件从本地文件系统复制到`GridFS`中。多个文件可以指定为空格分隔的列表。
get <filename1[ filename2] ...>	将指定的文件从`GridFS`存储复制到本地文件系统。
get_id "<_id>"	将文件(由<_id>指定)从`GridFS`中复制到本地文件系统。<_id>是该对象在`GridFS`中的扩展JSON _id。
get_regex <regex> --regexOptions <regex-options>	将匹配指定的<regex>表达式的一个或多个文件从`GridFS`复制到本地文件系统。get_regex命令使用Perl兼容的正则表达式(“PCRE”)8.42版本，支持UTF-8。
delete <filename>	从`GridFS`中删除指定的文件
delete_id "<_id>"	从`GridFS`中删除由<_id>指定的文件。

3.4 示例

在系统的命令行中运行 mongofiles命令:

# 查看本地mongofiles实例执行过的历史命令
mongofiles -d=records list

导入文件，下面命令mongofiles 实例将连接 uri中的数据库，将文件存入GridFS中。

$ mongofiles --uri=mongodb://192.168.0.152:27017 put /home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif
2021-03-04T17:18:06.681+0800    connected to: mongodb://192.168.0.152:27017
2021-03-04T17:18:06.682+0800    adding gridFile: /home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif

2021-03-04T17:18:06.824+0800    added gridFile: /home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif

查看集合：

#连接数据库
$ /usr/local/mongodb/bin/mongo --host=192.168.0.152 --port=27017
#查看数据库
> db
test
#查看集合
> show collections
fs.chunks
fs.files

#查看files集合
> db.fs.files.find()
{ 
  "_id" : ObjectId("6040a5ce6211dcaf818ac9aa"), 
  "length" : NumberLong(15838376), 
  "chunkSize" : 261120, 
  "uploadDate" : ISODate("2021-03-04T09:18:06.824Z"), 
  "filename" : "/home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif", 
  "metadata" : {  } 
}

查询文件：

$ mongofiles search 'Cho'
2021-03-04T17:48:10.976+0800    connected to: mongodb://localhost/
/home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif 15838376

搜索结果：filename length

可以发现mongofiles命令默认连接本地的 mongo 服务，如果不是本地需带上 uri 连接信息。

获取文件：

$ mongofiles --uri=mongodb://localhost:27017 get /home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif --local=test.tif
2021-03-04T17:57:34.507+0800    connected to: mongodb://localhost:27017
2021-03-04T17:57:34.531+0800    finished writing to test.tif

get <filename1[ filename2] ...>命令，当只有一个文件时，可以使用--local参数给文件重新命名。

导出的目录为get命令执行所在的当前目录。

删除文件：

$ mongofiles delete /home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif
2021-03-04T18:03:23.399+0800    connected to: mongodb://localhost/
2021-03-04T18:03:23.402+0800    successfully deleted all instances of '/home/qiusj/.local/mongodb/mongofiles/data/shenzhen_CholophyII_2020.tif' from GridFS

#再去数据库里查看
$ /usr/local/mongodb/bin/mongo
> show collections
fs.chunks
fs.files
> db.fs.files.find()
>

4 Springboot中使用GridFS

使用一个单实例的未启用认证的mongodb作为示例数据库。

4.1 导入依赖

compile 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-data-mongodb'
testImplementation 'org.springframework.boot:spring-boot-starter-test'

4.2 配置文件

application.yml文件：

#如果连接的不是本地的mongo，会比较慢，因为会受到网络传输速度的影响
spring:
  data:
    mongodb:
      database: files
      host: localhost
      port: 27017

#用于测试的本地遥感数据文件
rsfilepath: "E:\\data\\ShenzhenNDWI_2019_S2L1C.tif"

MongoConfig.java，在该类中根据配置信息创建mongo的客户端实例和GridFSBucket实例。

GridFS用于存储文件的两个集合都在同一个bucket中。集合的前缀为bucket name，默认为fs。

@Configuration
public class MongoConfig {

    @Value("${spring.data.mongodb.host}")
    private String host;

    @Value("${spring.data.mongodb.port}")
    private int port;

    @Value("${spring.data.mongodb.database}")
    private String database;

    @Bean
    public MongoClient getMongoClient(){
        MongoClient mongoClient =  MongoClients.create(
                MongoClientSettings.builder()
                        .applyToClusterSettings(builder ->
                                builder.hosts(Arrays.asList(
                                        new ServerAddress(host, port)
                                       )))
                        .build());
        return mongoClient;
    }

    @Bean
    public GridFSBucket getgridFSBucket(MongoClient mongoClient) {
        MongoDatabase mongoDatabase = mongoClient.getDatabase(database);
        //使用默认的fs前缀
        GridFSBucket gridFSBucket = GridFSBuckets.create(mongoDatabase);
        return gridFSBucket;
    }
}

4.3 测试类

我们在Test模块下创建一个GridsApplicationTests.java测试类，用于测试GridFSBucket中的方法：


@SpringBootTest
class GridfsApplicationTests {

    @Autowired
    private GridFSService gridFSService;

    @Value("${rsfilepath}")
    private String rsfilepath;

    private int chunckSize = 1024;

    @Autowired
    private GridFSBucket gridFSBucket;

    /**
     * uploadFromStream()方法
     * 文件导入到GridFS中
     */
    @Test
    void testUploadToGridFS() throws IOException {
        File file = new File(rsfilepath);
        FileInputStream inputStream = new FileInputStream(file);

        //GridFSUploadOptions配置chunkSize和添加元数据
        GridFSUploadOptions options = new GridFSUploadOptions()
                .chunkSizeBytes(chunckSize)
                .metadata(new Document("k1","v1").append("k2","v2"));

        //GridFSBucket.InputStream方法读取字节输入流中的内容并将其保存到GridFSBucket中
        ObjectId fileId = gridFSBucket.uploadFromStream("GridFS输入", inputStream, options);
        System.out.println(fileId);
        inputStream.close();
    }

    /**
     * openUploadStream()方法
     * 返回GridFSUploadStream，作为缓存
     * 文件导入到GridFS中
     */
    @Test
    void testUOpenploadToGridFS() throws IOException {
        byte[] data = Files.readAllBytes(Paths.get(rsfilepath));

        //GridFSUploadOptions 配置 chunkSize 和添加元数据
        GridFSUploadOptions options = new GridFSUploadOptions()
                .chunkSizeBytes(chunckSize)
                .metadata(new Document("format","tiff").append("SRS","EPSG:3857"));

        GridFSUploadStream uploadStream = gridFSBucket.openUploadStream("缓冲", options);
        //GridFSUploadStream缓冲数据达到chunckSizeBytes时才进行插入数据块chunks操作
        uploadStream.write(data);
        //当GridFSUploadStream被关闭后，才会将最后一块chunk写入chunks集合和将文件元数据插入files集合
        uploadStream.close();
        String fileId = uploadStream.getObjectId().toString();
        System.out.println(fileId);
    }

    /**
     * find()方法
     * 查找GridFS中的文件
     */
    @Test
    void testFindFileFromGridFS() throws IOException {
        //查询GridFS中所有的文件
        gridFSBucket.find().forEach(gridFSFile -> {
            System.out.println(gridFSFile.getObjectId()+": "+gridFSFile.getFilename());
        });
        System.out.println("-----------------------");
        gridFSBucket.find(eq("metadata.SRS","EPSG:3857")).forEach(gridFSFile -> {
            System.out.println(gridFSFile.getObjectId()+": "+gridFSFile.getFilename());
        });
    }

    /**
     * downloadToStream()方法
     * 根据fileId从GridFS中下载文件
     */
    @Test
    void testDownloadToStreamById() throws IOException {
        //需要导出的文件的fileId
        ObjectId fileId = new ObjectId("6049d240efdc5715fc6ecbbe");
        //指定输出目标路径和输出文件名
        File file = new File("E:\\data\\out\\NDWI_2019_S2L1C.tiff");
        if(!file.exists()){
            file.getParentFile().mkdirs();
            file.createNewFile();
        }
        //创建文件字节输出流
        FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);

        gridFSBucket.downloadToStream(fileId, out);
        out.close();
    }

    /**
     * downloadToStream()方法
     * 根据filename从GridFS中下载文件
     */
    @Test
    void testDownloadToStreamByFilename() throws IOException {
        //创建下载条件对象
        GridFSDownloadOptions downloadOptions = new GridFSDownloadOptions();
        /**
         * 版本控制，默认下载最新的一个版本对象，这里指定为0，选择原始的版本
         * 0 = the original stored file
         * 1 = the first revision
         * 2 = the second revision
         * etc..
         * -2 = the second most recent revision
         * -1 = the most recent revision
         */
        downloadOptions.revision(0);

        //指定输出目标路径和输出文件名
        File file = new File("E:\\data\\out\\NDWI2.tiff");
        if(!file.exists()){
            file.getParentFile().mkdirs();
            file.createNewFile();
        }
        //创建文件字节输出流
        FileOutputStream out = new FileOutputStream(file);

        gridFSBucket.downloadToStream("归一化指数2019",out,downloadOptions);
        out.close();
    }


    /**
     * rename,重命名
     */
    @Test
    void testRenameFile(){
        ObjectId fileId = new ObjectId("6049d240efdc5715fc6ecbbe");
        gridFSBucket.rename(fileId,"归一化指数2019");
    }

    /**
     * delete
     */
    @Test
    void testDeleteFile(){
        ObjectId fileId = new ObjectId("6049bf658ca88237b95c9952");
        gridFSBucket.delete(fileId);
    }
}

参考文章

[1] GridFS https://docs.mongodb.com/manual/core/gridfs/

[2] mongofiles https://docs.mongodb.com/database-tools/mongofiles

[3] Java Driver Tutorial GridFS https://mongodb.github.io/mongo-java-driver/4.2/driver/tutorials/gridfs/

19 KiB Raw Blame History Unescape Escape

1 GridFS 简介

2 GridFS 集合