2020重新出发，NOSQL，MongoDB是什么？

什么是MongoDB ？

MongoDB 是一个开源的文档数据库，它基于 C++ 语言编写，性能高，可用性强，能够自动扩展。

MongoDB 是最流行的 NoSQL 数据库之一，原生支持分布式集群架构，特别适合处理大数据，阿里巴巴、腾讯、头条、Twitter、Google、Facebook 等一线互联网公司都在使用 MongoDB 数据库。

与 HBase 相比，MongoDB 可以存储具有更加复杂的数据结构的数据，具有很强的数据描述能力。MongoDB 提供了丰富的操作功能，但是它没有类似于 SQL 的操作语言，语法规则相对比较复杂。

MongoDB（来自英文单词“Humongous”，中文含义为“庞大”）是可以应用于各种规模的企业、各个行业以及各类应用程序的开源数据库。

MongoDB的优势

MongoDB 使用广泛

MongoDB 是目前 NoSQL 数据库中使用最广泛的数据库之一，根据 DB-Engines 2020 年 9 月份发布的全球数据库排名（见图 1），前五名依次是 Oracle、MySQL、Microsoft SQL Server、PostgreSQL、MongoDB ，此排名顺序已经持续很长时间，MongoDB 排名第五，9月份 MongoDB 的分数依然保持增长，而且还是整个排行榜中增长幅度最大的一个。

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MongoDB 性能高

MongoDB 是一个开源文档数据库，是用 C++ 语言编写的非关系型数据库。其特点是高性能、高可用、可伸缩、易部署、易使用，存储数据十分方便，主要特性有：面向集合存储，易于存储对象类型的数据，模式自由，支持动态查询，支持完全索引，支持复制和故障恢复，使用高效的二进制数据存储，文件存储格式为 BSON （ 一种 JSON 的扩展）等。

MongoDB 提供高性能数据读写功能，并且性能还在不断地提升。根据官方提供的 MongoDB 3.0 性能测试报告，在 YCSB 测试中，MongoDB 3.0 在多线程、批量插入场景下的处理速度比 MongoDB 2.6 快 7 倍。

关于读写与响应时间的具体测试结果参见图 2。

​ 图 2：MongoDB 2.6 与 3.0 读写性能与响应时间性能测试

MongoDB 支持分布式

在生产过程中，因机器故障导致系统宕机的问题不可避免；集中式系统在计算能力和存储能力方面的瓶颈，也无法满足当前的数据量爆发式增长的需求。这两个问题就是系统对高可用和可伸缩架构的需求，MongoDB 在原生上就可满足这两方面的需求。

MongoDB 的高可用性体现在对副本集 Replication 的支持上，可伸缩性体现在分片集群的部署方式上。

MongoDB 的 Replication 集提供自动故障转移和数据冗余服务，Replication 结构可以保证数据库中的全部数据都会有多份备份，这与 HDFS 分布式文件系统的备份机制比较类似。采用副本集的集群中具有主（Master）、从（Slaver）、仲裁（Arbiter）三种角色。

主从关系（Master-Slaver） 负责数据的同步和读写分离；Arbiter 服务负责心跳（Heartbeat）监控，Master 宕机时可将 Slaver 切换到 Mas 血状态，继续提供数据的服务，完成了数据的高可用需求。

当需要存储大量的数据时，主从服务器都需要存储全部数据，可能会出现写性能问题。同时， Replication 主要解决的是读数据高可用方面的问题，在对数据库查询时也只限制在一台服务器上， 并不能支持一次查询多台数据库服务器，并没有满足数据库读写操作的分布式需求。

MongoDB 提供水平可伸缩性功能的是分片（Shard）。分片与在 HDFS 分布式文件系统中上传文件会将文件切成 128MB（Hadoop2.x 默认配置）相似，通过将数据切成数片（Sharding）写入不同的分片节点，完成分布式写的操作。同时，MongoDB 在读取时提供了分布式读的操作，这个功能与 HDFS 的分布式读写十分类似。

MongoDB 便于开发

MongoDB 对开发者十分友好，便于使用。支持丰富的查询语言、数据聚合、文本搜索和地理空间查询，用户可以创建丰富的索引来提升查询速度，MongoDB 被称为最像关系数据库的非关系数据库。

MongoDB 允许用户在服务端执行脚本，可以用 Javascript 编写某个函数，直接在服务端执行，也可以把函数的定义存储在服务端，使用时直接调用即可。MongoDB 支持各种编程语言，包括 Ruby、Python、Java、C++、PHP、C# 等。

Robomongo（MongoDB可视化工具）简介

Robomongo 是一个界面友好且免费的 MongoDB 可视化工具，可在 Robomongo 官网下载此软件，其安装过程十分简单，安装好的界面如下图所示。

在 MongoDB Connections 窗口单击鼠标右键添加 MongoDB 数据库，设置如下图所示。

连接成功后，MongoDB 中所有数据库以及集合均显示在左侧导航栏，如图下所示。

从上图中可以看到 Robomango 提供可视化的界面将数据库中的文档显示出来，在集合上单击鼠标右键可以显示提供的集合操作。

使用 Robomango，初学者能更容易理解 MongoDB 数据库的概念。

MongoDB的文档数据模型

传统的文档数据库（Document Storage）概念的提岀要追溯到 1989 年，Lotus 提出的 Notes 产品被称为文档数据库，这种文档数据库常用于管理文档，如 Word、建立工作流任务等。

文档数据库区别于传统的其他数据库，它可用来管理文档，尤其擅长处理各种非结构化的文档数据。在传统的数据库中，信息被分割成离散的数据段，而在文档数据库中，文档是处理信息的基本单位。

传统的文档数据库与 20 世纪 50 ~ 60 年代管理数据的文件系统不同，文档数据库仍属于数据库范畴。

首先，文件系统中的文件基本上对应于某个应用程序。当不同的应用程序所需要的数据部分相同时，也必须建立各自的文件，而不能共享数据，而文档数据库可以共享相同的数据。因此，文件系统比文档数据库数据冗余度更大，更浪费存储空间，且更难于管理维护。

其次，文件系统中的文件是为某一特定应用服务的，因此，要想对现有的数据再增加一些新的应用是很困难的，系统难以扩展，数据和程序缺乏独立性。而文档数据库具有数据的物理独立性和逻辑独立性，数据和程序分离。

NoSQL 中的文档数据库

NoSQL 中的文档数据库（以下文档数据库均指 NoSQL 中的文档数据库）与传统的文档数据库不是同一种产品，NoSQL 中的文档数据库（MongoDB）有自己特定的数据存储结构及操作要求。

在传统数据库的发展过程中，基本都是出现一种数据模型，再依据数据模型，开发出相关的数据库，例如，层次数据库是建立在层次数据模型的基础上，关系数据库是建立在关系数据模型的基础上的。NoSQL 中文档数据库的出现也是建立在文档数据模型的基础上的。

NoSQL 中的文档数据库与传统的关系数据库均建立在对磁盘读写的基础上，实现对数据的各种操作。文档数据库的设计思路是尽可能地提升数据的读写性能，为此选择性地保留了部分关系型数据库的约束，通过减少读写过程的规则约束，提升了读写性能。

MongoDB 文档数据模型

传统的关系型数据库需要对表结构进行预先定义和严格的要求，而这样的严格要求，导致了处理数据的过程更加烦琐，甚至降低了执行效率。

在数据量达到一定规模的情况下，传统关系型数据库反应迟钝，想解决这个问题就需要反其道而行之，尽可能去掉传统关系型数据库的各种规范约束，甚至事先无须定义数据存储结构。

文档存储支持对结构化数据的访问，与关系模型不同的是，文档存储没有强制的架构。文档存储以封包键值对的方式进行存储，文档存储模型支持嵌套结构。

• 例如，文档存储模型支持 XML 和 JSON 文档，字段的“值”可以嵌套存储其他文档，也可存储数组等复杂数据类型。

MongoDB 存储的数据类型为 BSON，BSON 与 JSON 比较相似，文档存储模型也支持数组和键值对。

MongoDB 的文档数据模型如图下所示，MongoDB 的存储逻辑结构为文档，文档中采用键值对结构，文档中的 _id 为主键，默认创建主键索引。从 MongoDB 的逻辑结构可以看出，MongoDB 的相关操作大多通过指定键完成对值的操作。

文档数据库无须事先定义数据存储结构，这与键值数据库和列族数据库类似，只需在存储时采用指定的文档结构即可。从上图可以看出，一个{}中包含了若干个键值对，大括号中的内容就被称为一条文档。

MongoDB的文档存储结构

MongoDB 文档数据库的存储结构分为四个层次，从小到大依次是：键值对、文档（document）、集合（collection）、数据库（database）。

图 1 描述了 MongoDB 的存储与 MySQL 存储的对应关系，可以看出，MongoDB中的文档、集合、数据库对应于关系数据库中的行数据、表、数据库。

​ 图 1：MongoDB 存储与 Mysql 存储的对比

键值对

文档数据库存储结构的基本单位是键值对，具体包含数据和类型。键值对的数据包含键和值，键的格式一般为字符串，值的格式可以包含字符串、数值、数组、文档等类型。

按照键值对的复杂程度，可以将键值对分为基本键值对和嵌套键值对。

• 图 2 中的键值对中的键为字符串，值为基本类型，这种键值对就称为基本键值。
• 嵌套键值对类型如图 3 所示，从图中可以看岀， contact 的键对应的值为一个文档，文档中又包含了相关的键值对，这种类型的键值对称为嵌套键值对。

​ 图 2：MongoDB 文档数据模型

​ 图 3：嵌套键值对

键（Key）起唯一索引的作用，确保一个键值结构里数据记录的唯一性，同时也具有信息记录的作用。例如，country:"China"，用:实现了对一条地址的分割记录，“country”起到了 “China”的唯一地址作用，另外，“country”作为键的内容说明了所对应内容的一些信息。

值（Value）是键所对应的数据，其内容通过键来获取，可存储任何类型的数据，甚至可以为空。

键和值的组成就构成了键值对（Key-Value Pair）。它们之间的关系是一一对应的，如定义了 “country:China”键值对，"country”就只能对应“China”，而不能对应“USA”。

文档中键的命名规则如下。

• UTF-8 格式字符串。
• 不用有\0的字符串，习惯上不用.和$。
• 以开头的多为保留键，自定义时一般不以开头。
• 文档键值对是有序的，MongoDB 中严格区分大小写。

文档

文档是 MongoDB 的核心概念，是数据的基本单元，与关系数据库中的行十分类似，但是比行要复杂。文档是一组有序的键值对集合。文档的数据结构与 JSON 基本相同，所有存储在集合中的数据都是 BSON 格式。

BSON 是一种类 JSON 的二进制存储格式，是 Binary JSON 的简称。 一个简单的文档例子如下：

{"country" : "China", "city": "BeiJing"}

MongoDB 中的数据具有灵活的架构，集合不强制要求文档结构。但数据建模的不同可能会影响程序性能和数据库容量。文档之间的关系是数据建模需要考虑的重要因素。文档与文档之间 的关系包括嵌入和引用两种。

下面举一个关于顾客 patron 和地址 address 之间的例子，来说明在某些情况下，嵌入优于引用。

{
    _id: "joe",
    name: "Joe Bookreader"
}

{
    patron_id: "joe",
    street: "123 Fake Street",
    city: "Faketon",
    state: "MA",
    zip: "2345"
}

关系数据库的数据模型在设计时，将 patron 和 address 分到两个表中，在查询时进行关联， 这就是引用的使用方式。如果在实际查询中，需要频繁地通过 _id 获得 address 信息，那么就需要频繁地通过关联引用来返回查询结果。在这种情况下，一个更合适的数据模型就是嵌入。

将 address 信息嵌入 patron 信息中，这样通过一次查询就可获得完整的 patron 和 address 信息，如下所示：

{
    _id: "joe",
    name: "Joe Bookreader",
    address: {
        street: "123 Fake Street",
        city: "Faketon”，
        state: nMAnz
        zip: T2345”
    }
}

如果具有多个 address，可以将其嵌入 patron 中，通过一次查询就可获得完整的 patron 和多个 address 信息，如下所示：

{
    _id: "joe",
    name: "Joe Bookreader",
    addresses:[
        {
            street: "123 Fake Streetn,
            city: "Faketon",
            state: "MA",
            zip: "12345"
        },
        {
            street: "l Some Other Street",
            city: "Boston",
            state: "MA",
            zip: "12345"
        }
    ]
}

但在某种情况下，引用比嵌入更有优势。下面举一个图书出版商与图书信息的例子，代码如下:

{
    title: "MongoDB: The Definitive Guide",
    author: [ "Kristina Chodorow", "Mike Dirolfn"],
    published_date: ISODate("2010-09-24"),
    pages: 216,
    language: "English",
    publisher: {
        name: "O'Reilly Media",
        founded: 1980,
        location: "CA"
    }
}
{
    title: "50 Tips and Tricks for MongoDB Developer",
    author: "Kristina Chodorow",
    published_date: ISODate("2011-05-06"),
    pages: 68,
    language: "English",
    publisher: {
        name: "O'Reilly Media",
        founded: 1980,
        location: "CA"
    }
}

从上边例子可以看出，嵌入式的关系导致出版商的信息重复发布，这时可采用引用的方式描述集合之间的关系。使用引用时，关系的增长速度决定了引用的存储位置。如果每个出版商的图书数量很少且增长有限，那么将图书信息存储在出版商文档中是可行的。

通过 books 存储每本图书的 id 信息，就可以查询到指定图书出版商的指定图书信息，但如果图书出版商的图书数量很多, 则此数据模型将导致可变的、不断增长的数组 books，如下所示：

{
    name: "O'Reilly Media",
    founded: 1980,
    location: "CA",
    books: [123456789, 234567890, …]
}
{
    _id: 123456789,
    title: "MongoDE: The Definitive Guide",
    author: ["Kristina Chodorow", "Mike Dirolf"],
    published_date: ISODate("2010-09-24"),
    pages: 216,
    language: "English"
}
{
    _id: 234567890,
    title: "50 Tips and Tricks for MongoDB Developer",
    author: "Kristina Chodorow",
    published_date: ISODate("2011-05-06"),
    pages: 68,
    language: "English"
}

为了避免可变的、不断增长的数组，可以将出版商引用存放到图书文档中，如下所示：

{
    _id: "oreilly",
    name: "O'Reilly Media",
    founded: 1980,
    location: "CA"
}
{
    _id: 123456789,
    title: "MongoDB: The Definitive Guiden,
    author: [ "Kristina Chodorow", "Mike Dirolf"],
    published_date: ISODate("2010-09-24"),
    pages: 216,
    language: "English",
    publisher_id: "oreilly"
}
{
    _id: 234567890,
    title: "50 Tips and Tricks for MongoDB Developer",
    author: "Kristina Chodorow",
    published date: ISODate("2011-05-06")，
    pages: 68,
    language: "English",
    publisher_id: "oreilly"
}

集合

MongoDB 将文档存储在集合中，一个集合是一些文档构成的对象。如果说 MongoDB 中的文档类似于关系型数据库中的“行”，那么集合就如同“表”。

集合存在于数据库中，没有固定的结构，这意味着用户对集合可以插入不同格式和类型的数据。但通常情况下插入集合的数据都会有一定的关联性，即一个集合中的文档应该具有相关性。

集合的结构如图 4 所示。

​ 图 4：文档数据库中的一个集合

数据库

在 MongoDB 中，数据库由集合组成。一个 MongoDB 实例可承载多个数据库，互相之间彼此独立，在开发过程中，通常将一个应用的所有数据存储到同一个数据库中，MongoDB 将不同数据库存放在不同文件中。

数据库结构示例如图 5 所示。

​ 图 5：一个名为 DB 的数据库的结构

BSON对JSON做了哪些改进？

我们说，MongoDB 存储的数据格式与 JSON 十分类似，MongoDB 所采用的数据格式被称为 BSON，是一种基于 JSON 的二进制序列化格式，用于 MongoDB 存储文档并进行远程过程调用。

JSON 是一种网络常用的数据格式，具有自描述性。JSON 的数据表示方式易于解析，但支持的数据类型有限。BSON 目前主要用于 MongoDB 中，选择 JSON 进行改造的原因主要是 JSON 的通用性及 JSON 的 schemaless 的特性。

BSON 改进的主要特性有下面三点。

更快的遍历速度

BSON 对 JSON 的一个主要的改进是，在 BSON 元素的头部有一个区域用来存储元素的长度， 当遍历时，如果想跳过某个文档进行读取，就可以先读取存储在 BSON 元素头部的元素的长度， 直接 seek 到指定的点上就完成了文档的跳过。

在 JSON 中，要跳过一个文档进行数据读取，需要在对此文档进行扫描的同时匹配数据结构才可以完成跳过操作。

操作更简易

如果要修改 JSON 中的一个值，如将 9 修改为 10，这实际是将一个字符变成了两个，会导致其后面的所有内容都向后移一位。

在 BSON 中，可以指定这个列为整型，那么，当将 9 修正为 10 时，只是在整型范围内将数字进行修改，数据总长不会变化。

需要注意的是：如果数字从整型增大到长整型，还是会导致数据总长增加。

支持更多的数据类型

BSON 在 JSON 的基础上增加了很多额外的类型，BSON 增加了“byte array”数据类型。这使得二进制的存储不再需要先进行 base64 转换再存为 JSON，减少了计算开销。

BSON 支持的数据类型如表所示。

类型	描述示例
NULL	表示空值或者不存在的字段，{"x" : null}
Boolean	布尔型有 true 和 false，{"x" : true}
Number	数值：客户端默认使用 64 位浮点型数值。{"x" : 3.14} 或 {"x" : 3}。对于整型值，包括 NumberInt（4 字节符号整数）或 NumberLong（8 字节符号整数），用户可以指定数值类型，{"x" : NumberInt("3")}
String	字符串：BSON 字符串是 UTF-8，{"x" : "中文"}
Regular Expression	正则表达式：语法与 JavaScript 的正则表达式相同，{"x" : /[cba]/}
Array	数组：使用“[]”表示，{"x" : ["a", "b", "c"]}
Object	内嵌文档：文档的值是嵌套文档，{"a" : {"b" : 3}}
ObjectId	对象 id：对象 id 是一个 12 字节的字符串，是文档的唯一标识，{"x" : objectId()}
BinaryData	二进制数据：二进制数据是一个任意字节的字符串。它不能直接在 Shell 中使用。如果要将非 UTF-8 字符保存到数据库中，二进制数据是唯一的方式
JavaScript	代码：查询和文档中可以包括任何 JavaScript 代码，{"x" : function(){/.../}}
Data	日期：{"x" : new Date()}
Timestamp	时间戳：var a = new Timestamp()