MongoDB 详解

MongoDB 是一个基于文档的 NoSQL 数据库，以其灵活的数据模型、强大的查询功能和良好的扩展性而广受欢迎。它使用 JSON 风格的文档存储数据，非常适合现代应用开发。

概述

核心概念

文档 (Document)：MongoDB 的基本数据单元，类似关系数据库的行
集合 (Collection)：文档的容器，类似关系数据库的表
数据库 (Database)：集合的容器
字段 (Field)：文档中的键值对，类似关系数据库的列

主要特性

文档导向：使用 BSON（Binary JSON）格式存储数据
动态模式：无需预定义表结构
丰富查询：支持复杂查询、索引和聚合
水平扩展：内置分片支持
高可用性：副本集提供自动故障转移
灵活索引：支持多种索引类型

安装与配置

安装方式

1. 官方安装包

bash

# macOS
brew tap mongodb/brew
brew install mongodb-community

# Ubuntu
wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-7.0.asc | sudo apt-key add -
echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu jammy/mongodb-org/7.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-7.0.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

# CentOS/RHEL
sudo yum install -y mongodb-org

2. Docker 安装

bash

# 拉取镜像
docker pull mongo:7.0

# 运行容器
docker run --name mongodb \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_USERNAME=admin \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_PASSWORD=password \
  -p 27017:27017 \
  -d mongo:7.0

# 带数据持久化
docker run --name mongodb \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_USERNAME=admin \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_PASSWORD=password \
  -p 27017:27017 \
  -v /data/mongodb:/data/db \
  -d mongo:7.0

基本配置

mongod.conf 配置文件

yaml

# 网络配置
net:
  port: 27017
  bindIp: 127.0.0.1,::1
  maxIncomingConnections: 65536

# 存储配置
storage:
  dbPath: /var/lib/mongodb
  journal:
    enabled: true
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 1
    collectionConfig:
      blockCompressor: snappy
    indexConfig:
      prefixCompression: true

# 系统日志
systemLog:
  destination: file
  logAppend: true
  path: /var/log/mongodb/mongod.log
  logRotate: rename
  verbosity: 0

# 进程管理
processManagement:
  fork: true
  pidFilePath: /var/run/mongodb/mongod.pid

# 安全配置
security:
  authorization: enabled
  keyFile: /etc/mongodb/keyfile

# 副本集配置
replication:
  replSetName: "rs0"

# 分片配置
sharding:
  clusterRole: shardsvr

数据模型

文档结构

javascript

// 用户文档示例
{
  "_id": ObjectId("507f1f77bcf86cd799439011"),
  "username": "john_doe",
  "email": "john@example.com",
  "profile": {
    "firstName": "John",
    "lastName": "Doe",
    "age": 30,
    "address": {
      "street": "123 Main St",
      "city": "New York",
      "zipCode": "10001"
    }
  },
  "interests": ["programming", "music", "travel"],
  "createdAt": ISODate("2024-01-01T00:00:00Z"),
  "lastLogin": ISODate("2024-12-19T10:00:00Z"),
  "isActive": true
}

数据类型

javascript

// MongoDB 支持的数据类型示例
{
  // 基本类型
  "string": "Hello World",
  "number": 42,
  "boolean": true,
  "null": null,
  
  // 特殊类型
  "objectId": ObjectId("507f1f77bcf86cd799439011"),
  "date": ISODate("2024-12-19T10:00:00Z"),
  "regex": /pattern/i,
  "binary": BinData(0, "base64data"),
  
  // 复合类型
  "array": [1, 2, 3, "mixed", {"nested": "object"}],
  "object": {
    "nested": "value",
    "deep": {
      "level": "two"
    }
  },
  
  // 数值类型
  "int32": NumberInt(32),
  "int64": NumberLong(64),
  "decimal": NumberDecimal("123.45")
}

基本操作

数据库和集合操作

javascript

// 连接到 MongoDB
mongo

// 显示所有数据库
show dbs

// 切换/创建数据库
use myapp

// 显示当前数据库
db

// 显示集合
show collections

// 创建集合
db.createCollection("users")

// 删除集合
db.users.drop()

// 删除数据库
db.dropDatabase()

CRUD 操作

插入文档

javascript

// 插入单个文档
db.users.insertOne({
  username: "alice",
  email: "alice@example.com",
  age: 25,
  interests: ["reading", "hiking"]
})

// 插入多个文档
db.users.insertMany([
  {
    username: "bob",
    email: "bob@example.com",
    age: 30,
    interests: ["programming", "gaming"]
  },
  {
    username: "charlie",
    email: "charlie@example.com",
    age: 35,
    interests: ["music", "cooking"]
  }
])

查询文档

javascript

// 查询所有文档
db.users.find()

// 格式化输出
db.users.find().pretty()

// 条件查询
db.users.find({age: 30})
db.users.find({age: {$gte: 25}})
db.users.find({interests: "programming"})

// 逻辑操作符
db.users.find({
  $and: [
    {age: {$gte: 25}},
    {age: {$lte: 35}}
  ]
})

db.users.find({
  $or: [
    {age: {$lt: 25}},
    {age: {$gt: 35}}
  ]
})

// 字段投影
db.users.find({}, {username: 1, email: 1, _id: 0})

// 排序
db.users.find().sort({age: 1})  // 升序
db.users.find().sort({age: -1}) // 降序

// 限制和跳过
db.users.find().limit(5)
db.users.find().skip(10).limit(5)

// 计数
db.users.countDocuments()
db.users.countDocuments({age: {$gte: 30}})

更新文档

javascript

// 更新单个文档
db.users.updateOne(
  {username: "alice"},
  {$set: {age: 26, lastLogin: new Date()}}
)

// 更新多个文档
db.users.updateMany(
  {age: {$lt: 30}},
  {$set: {category: "young"}}
)

// 替换文档
db.users.replaceOne(
  {username: "bob"},
  {
    username: "bob",
    email: "bob.new@example.com",
    age: 31,
    interests: ["programming", "photography"]
  }
)

// Upsert（不存在则插入）
db.users.updateOne(
  {username: "david"},
  {$set: {email: "david@example.com", age: 28}},
  {upsert: true}
)

// 数组操作
db.users.updateOne(
  {username: "alice"},
  {$push: {interests: "photography"}}
)

db.users.updateOne(
  {username: "alice"},
  {$pull: {interests: "reading"}}
)

db.users.updateOne(
  {username: "alice"},
  {$addToSet: {interests: "travel"}}
)

删除文档

javascript

// 删除单个文档
db.users.deleteOne({username: "charlie"})

// 删除多个文档
db.users.deleteMany({age: {$lt: 25}})

// 删除所有文档
db.users.deleteMany({})

高级查询

复杂查询操作

javascript

// 正则表达式查询
db.users.find({email: /gmail\.com$/})
db.users.find({username: /^a/i})

// 数组查询
db.users.find({interests: {$in: ["programming", "music"]}})
db.users.find({interests: {$all: ["programming", "gaming"]}})
db.users.find({interests: {$size: 2}})

// 嵌套文档查询
db.users.find({"profile.age": {$gte: 30}})
db.users.find({"profile.address.city": "New York"})

// 存在性查询
db.users.find({email: {$exists: true}})
db.users.find({phone: {$exists: false}})

// 类型查询
db.users.find({age: {$type: "number"}})
db.users.find({_id: {$type: "objectId"}})

// 文本搜索
db.users.createIndex({username: "text", email: "text"})
db.users.find({$text: {$search: "alice"}})

聚合管道

javascript

// 基本聚合
db.users.aggregate([
  {$match: {age: {$gte: 25}}},
  {$group: {
    _id: "$category",
    count: {$sum: 1},
    avgAge: {$avg: "$age"}
  }},
  {$sort: {count: -1}}
])

// 复杂聚合示例
db.orders.aggregate([
  // 阶段1：匹配条件
  {$match: {
    orderDate: {$gte: ISODate("2024-01-01")}
  }},
  
  // 阶段2：展开数组
  {$unwind: "$items"},
  
  // 阶段3：关联查询
  {$lookup: {
    from: "products",
    localField: "items.productId",
    foreignField: "_id",
    as: "productInfo"
  }},
  
  // 阶段4：展开关联结果
  {$unwind: "$productInfo"},
  
  // 阶段5：计算字段
  {$addFields: {
    itemTotal: {$multiply: ["$items.quantity", "$productInfo.price"]}
  }},
  
  // 阶段6：分组统计
  {$group: {
    _id: {
      category: "$productInfo.category",
      month: {$month: "$orderDate"}
    },
    totalSales: {$sum: "$itemTotal"},
    totalQuantity: {$sum: "$items.quantity"},
    orderCount: {$sum: 1}
  }},
  
  // 阶段7：排序
  {$sort: {"_id.month": 1, totalSales: -1}},
  
  // 阶段8：投影
  {$project: {
    _id: 0,
    category: "$_id.category",
    month: "$_id.month",
    totalSales: 1,
    totalQuantity: 1,
    orderCount: 1,
    avgOrderValue: {$divide: ["$totalSales", "$orderCount"]}
  }}
])

索引优化

索引类型

javascript

// 单字段索引
db.users.createIndex({username: 1})  // 升序
db.users.createIndex({age: -1})      // 降序

// 复合索引
db.users.createIndex({age: 1, username: 1})

// 多键索引（数组字段）
db.users.createIndex({interests: 1})

// 文本索引
db.users.createIndex({
  username: "text",
  email: "text",
  "profile.firstName": "text"
})

// 2dsphere 索引（地理位置）
db.locations.createIndex({coordinates: "2dsphere"})

// 哈希索引
db.users.createIndex({userId: "hashed"})

// 部分索引
db.users.createIndex(
  {email: 1},
  {partialFilterExpression: {email: {$exists: true}}}
)

// 稀疏索引
db.users.createIndex({phone: 1}, {sparse: true})

// 唯一索引
db.users.createIndex({email: 1}, {unique: true})

// TTL 索引（自动过期）
db.sessions.createIndex(
  {createdAt: 1},
  {expireAfterSeconds: 3600}
)

索引管理

javascript

// 查看索引
db.users.getIndexes()

// 查看索引使用情况
db.users.find({username: "alice"}).explain("executionStats")

// 删除索引
db.users.dropIndex({username: 1})
db.users.dropIndex("username_1")

// 重建索引
db.users.reIndex()

// 查看索引大小
db.users.totalIndexSize()

// 索引统计
db.users.aggregate([{$indexStats: {}}])

副本集

副本集配置

javascript

// 初始化副本集
rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    {_id: 0, host: "mongodb1:27017", priority: 2},
    {_id: 1, host: "mongodb2:27017", priority: 1},
    {_id: 2, host: "mongodb3:27017", arbiterOnly: true}
  ]
})

// 查看副本集状态
rs.status()

// 查看副本集配置
rs.conf()

// 添加成员
rs.add("mongodb4:27017")

// 删除成员
rs.remove("mongodb4:27017")

// 设置优先级
var config = rs.conf()
config.members[1].priority = 0.5
rs.reconfig(config)

// 强制选举
rs.stepDown()

读写配置

javascript

// 设置读偏好
db.users.find().readPref("secondary")
db.users.find().readPref("secondaryPreferred")

// 设置写关注
db.users.insertOne(
  {username: "test"},
  {writeConcern: {w: "majority", j: true, wtimeout: 5000}}
)

// 设置读关注
db.users.find().readConcern("majority")

分片

分片集群配置

javascript

// 启用分片
sh.enableSharding("myapp")

// 创建分片键
sh.shardCollection("myapp.users", {userId: "hashed"})
sh.shardCollection("myapp.orders", {customerId: 1, orderDate: 1})

// 查看分片状态
sh.status()

// 查看分片分布
db.users.getShardDistribution()

// 添加分片
sh.addShard("rs1/mongodb4:27017,mongodb5:27017,mongodb6:27017")

// 移除分片
sh.removeShard("rs1")

// 平衡器控制
sh.startBalancer()
sh.stopBalancer()
sh.isBalancerRunning()

性能优化

查询优化

javascript

// 使用 explain 分析查询
db.users.find({age: {$gte: 30}}).explain("executionStats")

// 查看慢查询
db.setProfilingLevel(2, {slowms: 100})
db.system.profile.find().sort({ts: -1}).limit(5)

// 使用 hint 强制使用索引
db.users.find({age: 30}).hint({age: 1})

// 批量操作
var bulk = db.users.initializeUnorderedBulkOp()
bulk.insert({username: "user1", age: 25})
bulk.insert({username: "user2", age: 30})
bulk.find({username: "user1"}).updateOne({$set: {age: 26}})
bulk.execute()

内存和存储优化

javascript

// 查看集合统计
db.users.stats()

// 查看数据库统计
db.stats()

// 压缩集合
db.runCommand({compact: "users"})

// 查看连接状态
db.serverStatus().connections

// 查看内存使用
db.serverStatus().mem

// 查看操作统计
db.serverStatus().opcounters

备份与恢复

mongodump 和 mongorestore

bash

# 备份整个数据库
mongodump --host localhost:27017 --db myapp --out /backup/

# 备份特定集合
mongodump --host localhost:27017 --db myapp --collection users --out /backup/

# 压缩备份
mongodump --host localhost:27017 --db myapp --gzip --out /backup/

# 恢复数据库
mongorestore --host localhost:27017 --db myapp /backup/myapp/

# 恢复到不同数据库
mongorestore --host localhost:27017 --db newapp /backup/myapp/

# 删除现有数据后恢复
mongorestore --host localhost:27017 --db myapp --drop /backup/myapp/

mongoexport 和 mongoimport

bash

# 导出为 JSON
mongoexport --host localhost:27017 --db myapp --collection users --out users.json

# 导出为 CSV
mongoexport --host localhost:27017 --db myapp --collection users --type csv --fields username,email,age --out users.csv

# 导入 JSON
mongoimport --host localhost:27017 --db myapp --collection users --file users.json

# 导入 CSV
mongoimport --host localhost:27017 --db myapp --collection users --type csv --headerline --file users.csv

安全性

认证和授权

javascript

// 创建管理员用户
use admin
db.createUser({
  user: "admin",
  pwd: "password",
  roles: ["userAdminAnyDatabase", "dbAdminAnyDatabase", "readWriteAnyDatabase"]
})

// 创建数据库用户
use myapp
db.createUser({
  user: "appuser",
  pwd: "apppassword",
  roles: [
    {role: "readWrite", db: "myapp"},
    {role: "read", db: "logs"}
  ]
})

// 创建只读用户
db.createUser({
  user: "readonly",
  pwd: "readpassword",
  roles: [{role: "read", db: "myapp"}]
})

// 查看用户
db.getUsers()

// 删除用户
db.dropUser("username")

// 修改用户密码
db.changeUserPassword("username", "newpassword")

SSL/TLS 配置

yaml

# mongod.conf
net:
  ssl:
    mode: requireSSL
    PEMKeyFile: /etc/ssl/mongodb.pem
    CAFile: /etc/ssl/ca.pem
    allowConnectionsWithoutCertificates: false

监控与运维

监控指标

javascript

// 服务器状态
db.serverStatus()

// 数据库统计
db.stats()

// 集合统计
db.users.stats()

// 当前操作
db.currentOp()

// 终止操作
db.killOp(opid)

// 副本集状态
rs.status()

// 分片状态
sh.status()

日志分析

bash

# 查看日志
tail -f /var/log/mongodb/mongod.log

# 过滤慢查询
grep "slow operation" /var/log/mongodb/mongod.log

# 分析连接
grep "connection" /var/log/mongodb/mongod.log

最佳实践

1. 数据建模

嵌入 vs 引用：根据数据访问模式选择
反规范化：适度冗余提高查询性能
数组大小：避免无限增长的数组
文档大小：控制在 16MB 以内

2. 索引策略

查询模式：根据查询模式创建索引
复合索引：注意字段顺序
索引维护：定期检查索引使用情况
避免过多索引：影响写入性能

3. 性能优化

连接池：合理配置连接池大小
批量操作：使用批量操作提高效率
分页查询：使用 skip 和 limit 要谨慎
聚合优化：合理使用聚合管道

4. 运维管理

监控告警：设置关键指标监控
备份策略：定期备份和恢复测试
容量规划：监控存储和内存使用
版本升级：及时升级到稳定版本

总结

MongoDB 是一个功能强大的文档数据库，特别适合需要灵活数据模型和快速开发的现代应用。其丰富的查询功能、良好的扩展性和高可用性特性，使其成为 NoSQL 数据库的优秀选择。

优势

灵活的文档模型
强大的查询和聚合功能
良好的水平扩展能力
丰富的索引支持
活跃的社区和生态

适用场景

内容管理系统
实时分析应用
物联网数据存储
移动应用后端
大数据处理

通过合理的数据建模、索引设计和性能优化，MongoDB 能够为各种应用提供高效、可靠的数据存储解决方案。

MongoDB 详解 ​

概述 ​

核心概念 ​

主要特性 ​

安装与配置 ​

安装方式 ​

1. 官方安装包 ​

2. Docker 安装 ​

基本配置 ​

mongod.conf 配置文件 ​

数据模型 ​

文档结构 ​

数据类型 ​

基本操作 ​

数据库和集合操作 ​

CRUD 操作 ​

插入文档 ​

查询文档 ​

更新文档 ​

删除文档 ​

高级查询 ​

复杂查询操作 ​

聚合管道 ​

索引优化 ​

索引类型 ​

索引管理 ​

副本集 ​

副本集配置 ​

读写配置 ​

分片 ​

分片集群配置 ​

性能优化 ​

查询优化 ​

内存和存储优化 ​

备份与恢复 ​

mongodump 和 mongorestore ​

mongoexport 和 mongoimport ​

安全性 ​

认证和授权 ​

SSL/TLS 配置 ​

监控与运维 ​

监控指标 ​

日志分析 ​

最佳实践 ​

1. 数据建模 ​

2. 索引策略 ​

3. 性能优化 ​

4. 运维管理 ​

总结 ​

优势 ​

适用场景 ​

MongoDB 详解

概述

核心概念

主要特性

安装与配置

安装方式

1. 官方安装包

2. Docker 安装

基本配置

mongod.conf 配置文件

数据模型

文档结构

数据类型

基本操作

数据库和集合操作

CRUD 操作

插入文档

查询文档

更新文档

删除文档

高级查询

复杂查询操作

聚合管道

索引优化

索引类型

索引管理

副本集

副本集配置

读写配置

分片

分片集群配置

性能优化

查询优化

内存和存储优化

备份与恢复

mongodump 和 mongorestore

mongoexport 和 mongoimport

安全性

认证和授权

SSL/TLS 配置

监控与运维

监控指标

日志分析

最佳实践

1. 数据建模

2. 索引策略

3. 性能优化

4. 运维管理

总结

优势

适用场景