MongoDB 教材
MongoDB 是一個開源的 NoSQL 數據庫，以其高性能、高可用性和自動擴展性廣受歡迎。本文將詳細介紹 MongoDB 的體系結構、語法、底層原理、開發使用方法及常見使用場景。
目錄
- MongoDB 簡介
- MongoDB 體系結構
- MongoDB 語法
- 基本操作
- 高級查詢
- 聚合操作
- 底層原理
- 開發使用
- 安裝與配置
- 基本 CRUD 操作
- 索引與優化
- 復制與分片
- 使用場景
MongoDB 簡介
MongoDB 是一個面向文檔的 NoSQL 數據庫，數據以 BSON（二進制 JSON）格式存儲。它提供了靈活的數據模型，適合處理大規模數據和高并發訪問的應用場景。
MongoDB 體系結構
MongoDB 的體系結構包含以下幾個關鍵組件：
- 數據庫（Database）：多個集合（Collection）的集合。
- 集合（Collection）：多個文檔（Document）的集合。
- 文檔（Document）：MongoDB 中的基本數據單位，以 BSON 格式存儲。
- 分片（Sharding）：將數據水平切分到多個服務器上，以實現擴展性和高性能。
- 復制（Replication）：通過主從復制保證數據的高可用性和可靠性。
MongoDB 的體系結構如下圖所示：
+------------------+
| MongoDB Server |
+------------------+| || |
+-----+ +-----+
| DB1 | | DB2 |
+-----+ +-----+| |
+----+ +----+
|C1 | |C2 |
|C2 | +----+
+----+ ||+----+|D1 ||D2 |+----+
MongoDB 語法
基本操作
- 插入文檔
db.collection.insertOne({ name: "Alice", age: 25 });
db.collection.insertMany([{ name: "Bob", age: 30 }, { name: "Charlie", age: 35 }]);
- 查詢文檔
db.collection.find({ name: "Alice" });
db.collection.find({ age: { $gt: 25 } });
- 更新文檔
db.collection.updateOne({ name: "Alice" }, { $set: { age: 26 } });
db.collection.updateMany({ age: { $gt: 25 } }, { $inc: { age: 1 } });
- 刪除文檔
db.collection.deleteOne({ name: "Alice" });
db.collection.deleteMany({ age: { $lt: 30 } });
高級查詢
- 投影
db.collection.find({ age: { $gt: 25 } }, { name: 1, _id: 0 });
- 排序
db.collection.find().sort({ age: -1 });
- 分頁
db.collection.find().skip(10).limit(5);
聚合操作
MongoDB 提供強大的聚合框架，支持復雜的數據處理流程。
db.collection.aggregate([{ $match: { status: "A" } },{ $group: { _id: "$cust_id", total: { $sum: "$amount" } } },{ $sort: { total: -1 } }
]);
底層原理
MongoDB 使用多種技術來保證其高性能和高可用性：
- 存儲引擎：MongoDB 默認使用 WiredTiger 存儲引擎，支持文檔級并發控制和壓縮。WiredTiger 提供了高效的讀寫性能和數據壓縮功能，能夠顯著減少存儲占用。
- 內存映射文件：MongoDB 將數據文件映射到內存中，以提高數據訪問速度。這種機制利用操作系統的虛擬內存管理，將常用數據頁保存在內存中，減少磁盤 I/O。
- 索引：MongoDB 支持多種索引類型，如單字段索引、復合索引、地理空間索引、全文索引等，能夠顯著提高查詢性能。索引使用 B 樹結構，提供高效的查找、插入和刪除操作。
- 復制集（Replica Set）：MongoDB 通過復制集實現數據的高可用性和容錯能力。復制集包含一個主節點和多個從節點，主節點負責處理寫操作，從節點負責同步數據和處理讀操作。
- 分片（Sharding）：MongoDB 通過分片實現水平擴展，將數據分布到多個服務器上。分片鍵用于決定數據如何分布，每個分片存儲數據的一部分，協調節點負責路由請求到相應的分片。
開發使用
安裝與配置
- 安裝 MongoDB
在 Linux 系統上可以通過包管理器安裝 MongoDB，例如在 Ubuntu 上：
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb
在 Windows 系統上，可以下載 MongoDB 安裝包并運行安裝程序。
- 啟動 MongoDB
安裝完成后，可以使用以下命令啟動 MongoDB 服務：
sudo service mongodb start
- 配置文件
MongoDB 的配置文件通常位于 /etc/mongodb.conf。可以在配置文件中設置數據目錄、日志文件路徑、網絡綁定地址等。
基本 CRUD 操作
- 插入數據
// 插入單個文檔
db.collection.insertOne({ name: "Alice", age: 25 });// 插入多個文檔
db.collection.insertMany([{ name: "Bob", age: 30 }, { name: "Charlie", age: 35 }]);
- 查詢數據
// 查詢所有文檔
db.collection.find();// 查詢符合條件的文檔
db.collection.find({ age: { $gt: 25 } });
- 更新數據
// 更新單個文檔
db.collection.updateOne({ name: "Alice" }, { $set: { age: 26 } });// 更新多個文檔
db.collection.updateMany({ age: { $gt: 25 } }, { $inc: { age: 1 } });
- 刪除數據
// 刪除單個文檔
db.collection.deleteOne({ name: "Alice" });// 刪除多個文檔
db.collection.deleteMany({ age: { $lt: 30 } });
索引與優化
- 創建索引
// 創建單字段索引
db.collection.createIndex({ name: 1 });// 創建復合索引
db.collection.createIndex({ name: 1, age: -1 });
- 查看索引
// 查看集合中的所有索引
db.collection.getIndexes();
- 刪除索引
// 刪除指定索引
db.collection.dropIndex("index_name");// 刪除所有索引
db.collection.dropIndexes();
復制與分片
- 設置復制集
配置文件中添加復制集名稱：
replication:replSetName: "rs0"
啟動 MongoDB 實例后，初始化復制集：
rs.initiate();
添加從節點：
rs.add("hostname:port");
- 設置分片
啟動配置服務器和分片服務器：
mongod --configsvr --replSet configReplSet --port 27019 --dbpath /data/configdb
mongod --shardsvr --replSet shardReplSet --port 27018 --dbpath /data/sharddb
啟動路由服務器：
mongos --configdb configReplSet/hostname:27019
添加分片：
sh.addShard("shardReplSet/hostname:27018");
啟用集合分片
javascript
sh.enableSharding("myDatabase");
sh.shardCollection("myDatabase.myCollection", { shardKey: 1 });
使用場景
MongoDB 由于其靈活的數據模型、高性能和可擴展性，適用于多種應用場景：
- 內容管理系統（CMS）：由于數據結構靈活，MongoDB 非常適合用于內容管理系統，可以輕松處理復雜的內容類型和關系。
- 實時分析：MongoDB 的高性能讀寫能力和聚合框架非常適合實時分析和數據挖掘應用，例如點擊流分析、用戶行為分析等。
- 物聯網（IoT）：MongoDB 可以處理大量的傳感器數據和設備日志，支持高吞吐量和低延遲的數據寫入。
- 電商平臺：電商平臺需要處理大量的產品信息、用戶數據和交易記錄，MongoDB 的文檔模型可以靈活地適應多變的數據結構。
- 社交網絡：MongoDB 可以快速存儲和檢索用戶生成的內容，如帖子、評論、點贊等，支持高并發的讀寫操作。
- 游戲應用：游戲應用需要處理大量的用戶數據和游戲狀態，MongoDB 的高可用性和擴展性可以滿足游戲應用的需求。
注意
MongoDB 是一個功能強大且靈活的 NoSQL 數據庫，適用于多種應用場景。本文介紹了 MongoDB 的體系結構、基本操作、底層原理以及常見的開發和使用方法。通過掌握這些知識，開發者可以充分利用 MongoDB 的優勢，構建高性能、高可用的應用系統。
 - 圖像畸變校正)
