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ordina l'array nella query e proietta tutti i campi

Poiché stai raggruppando sul documento _id puoi semplicemente inserire i campi che desideri mantenere all'interno del raggruppamento _id . Quindi puoi riformattare utilizzando $project

db.c.aggregate([
    { "$unwind": "$array_to_sort"},
    { "$sort": {"array_to_sort.b":1, "array_to_sort:a": 1}},
    { "$group": { 
        "_id": {
            "_id": "$_id",
            "unknown_field": "$unknown_field"
        },
        "Oarray_to_sort": { "$push":"$array_to_sort"}
    }},
    { "$project": {
        "_id": "$_id._id",
        "unknown_field": "$_id.unknown_field",
        "array_to_sort": "$Oarray_to_sort"
    }}
]);

L'altro "trucco" è usare un nome temporaneo per l'array nella fase di raggruppamento. È così quando $project e cambia il nome, ottieni i campi nell'ordine specificato nella dichiarazione di proiezione. In caso contrario, il campo "array_to_sort" non sarebbe l'ultimo campo nell'ordine, poiché è stato copiato dalla fase precedente.

Questa è un'ottimizzazione prevista in $project , ma se vuoi l'ordine puoi farlo come sopra.

Per strutture completamente sconosciute c'è il modo di fare mapReduce:

db.c.mapReduce(
    function () {
        this["array_to_sort"].sort(function(a,b) {
            return a.a - b.a || a.b - b.b;
        });

        emit( this._id, this );
    },
    function(){},
    { "out": { "inline": 1 } }
)

Ovviamente ha un formato di output specifico per mapReduce e quindi non esattamente il documento che avevi, ma tutti i campi sono contenuti in "valori":

{
    "results" : [
            {
                    "_id" : 0,
                    "value" : {
                            "_id" : 0,
                            "some_field" : "a",
                            "array_to_sort" : [
                                    {
                                            "a" : 1,
                                            "b" : 0
                                    },
                                    {
                                            "a" : 3,
                                            "b" : 3
                                    },
                                    {
                                            "a" : 3,
                                            "b" : 4
                                    }
                            ]
                    }
            }
    ],
}

Le versioni future (al momento della scrittura) ti consentono di utilizzare un $$ROOT variabile in aggregato per rappresentare il documento:

db.c.aggregate([
    { "$project": {
        "_id": "$$ROOT",
        "array_to_sort": "$array_to_sort"
    }},
    { "$unwind": "$array_to_sort"},
    { "$sort": {"array_to_sort.b":1, "array_to_sort:a": 1}},
    { "$group": { 
        "_id": "$_id",
        "array_to_sort": { "$push":"$array_to_sort"}
    }}
]);

Quindi non ha senso utilizzare la fase finale del "progetto" poiché in realtà non conosci gli altri campi del documento. Ma saranno tutti contenuti (incluso l'array e l'ordine originali) all'interno del _id campo del documento risultato.