MongoDB

2022-11-14 09:00:12

元件結構

核心程序

在 MongoDB 中,核心程序主要包含了 mongod、mongos 和 mongosh 三個。

其中最主要的是 mongod 程式,其在不同的部署方案中(單機部署、副本集部署、分片叢集部署),通過不同的設定,可以扮演多種不同的角色:

  • 在單機部署中作為資料庫伺服器(提供所有讀寫功能)
  • 在副本集部署中,通過設定,可以部署為 Primary 節點(負責寫資料,也可以提供查詢)、Secondary 節點(從主節點複製資料,也可以提供查詢)、以及 Arbiter 節點(不儲存資料,主要用於參與選舉投票)
  • 在分片叢集中,除了在每個分片中扮演上述角色外,還扮演著設定伺服器的角色(儲存有分片叢集的所有後設資料資訊,mongos 的資料路由分發等都要依賴於它)

在一臺伺服器上,可以啟動多個 mongod 服務。但在實際生產部署中,通常是建議一臺伺服器部署一個 mongod 範例,這樣不僅減少資源競爭,而且伺服器故障也不會同時影響到多個服務。

mongos 在分片叢集中扮演路由的角色,提供使用者端和分片之間的介面。

mongosh 是 MongoDB 整合的互動式 shell 工具。

資料庫工具

MongoDB 資料庫工具是用於處理 MongoDB 部署的命令列實用程式的集合。資料庫工具包括以下二進位制檔案:

  • 二進位制匯入匯出
    • mongodump: 匯出 mongod 資料庫的二進位制資料
    • mongorestore: 恢復 mongodump 匯出檔案的資料到 mongod 或 mongos 資料庫
    • bsondump: 轉換 BSON 匯出檔案成 JSON 格式
  • 資料匯入匯出
    • mongoimport: 從外部 JSON、CSV 或 TSV 檔案中載入資料
    • mongoexport: 從 mongod 範例中匯出資料到 JSON 或 CSV 檔案中
  • 診斷工具
    • mongostat: 快速診斷當前執行的 mongod 或 mongos 範例的狀態
    • mongotop: 統計 mongod 範例讀取和寫入資料的時間
  • GridFS 工具
    • mongofiles: 支援在 GridFS 物件中操作 MongoDB 範例中儲存的檔案

資料邏輯結構

MongoDB 資料邏輯結構分為資料庫 database、集合 collection、檔案 document 三層 :

  • 一個 mongod 範例中允許建立多個資料庫
  • 一個資料庫中允許建立多個集合,集合相當於關係型資料庫的表
  • 一個集合則是由若干個檔案構成,檔案相當於關係型資料庫的行,是 MongoDB 中資料的基本單元

資料庫

一個資料庫中可以建立多個集合,原則上應把邏輯相近的集合都放在一個資料庫中。

在 MongoDB 中,會有以下幾個內建的資料庫:

  • admin: 存放有資料庫帳號相關資訊,在身份驗證和授權時使用
  • local: 特定於單個伺服器的資料會儲存在此資料庫中。在副本集中,local 資料庫用於儲存複製過程中所使用的資料,而其本身不會被複制。
  • config: 用於分片叢集環境,存放了分片相關的後設資料資訊
  • test: 預設建立的測試庫,連線 mongod 服務時,如果不指定連線的具體資料庫,預設就會連線到 test 資料庫

集合

和 SQL 的表不同,集合是動態模式,不需要在讀寫資料前建立模式就可以使用,集合中的檔案也可以擁有不同的欄位,隨時可以任意增減某個檔案的欄位。

預設情況下,集合不要求其檔案具有相同的模式,但這是一種很好的實踐。可以通過使用 MongoDB 的檔案驗證功能和可用於多種程式語言的物件–檔案對映(object-document mapping)庫來實現檔案驗證。

集合由其名稱進行標識,集合名稱可以是任意 UTF-8 字串,但有以下限制:

  • 不能是空字串("")。
  • 不能含有 \0(空字元),這個字元用於表示集合名稱的結束
  • 不能以 system. 開頭,該字首為內部集合保留

集合名稱使用 . 字元可以建立子集合,用與區分不同組織集合。雖然子集合沒有任何特殊屬性,但它們很有用,許多 MongoDB 工具整合了子集合。

檔案

檔案是 MongoDB 中資料的基本儲存單元,以一種叫作 BSON 的檔案結構表示。

檔案中的鍵值對是有序的,不同序則是不同檔案。並且鍵是區分大小寫的,否則也為不同檔案。

檔案的鍵是字串,而值除了字串,還可以是 IntLongDoubleBoolean、陣列、嵌入檔案等多種型別。

每個檔案都有一個預設的 _id 鍵,它相當於關係型資料庫中的主鍵,這個鍵的值在同一個集合中必須是唯一的。

_id 鍵的值預設是 ObjectId 型別,在插入檔案的時候,如果使用者不設定檔案的 _id 值的話,MongoDB 會自動生成一個唯一的 ObjectId 值進行填充。

資料庫檔案

MongoDB 在 3.2 版本已經將 WiredTiger 作為預設的儲存引擎。其作為儲存引擎的時候,資料庫會有以下儲存檔案:

  • collection-*.wt: 儲存集合的資料
  • index-*.wt: 儲存索引的資料
  • WiredTiger: 儲存基本設定資訊
  • WiredTiger.wt: 儲存所有其他集合的後設資料資訊
  • WiredTiger.lock: 儲存程序 ID,用於防止多個程序連線同一個 WiredTiger 資料庫
  • WiredTiger.turtle: 儲存 WiredTiger.wt 的後設資料資訊
  • journal: 儲存資料庫的寫紀錄檔

命令列工具

MongoDB 提供的 mongosh 是一個 JavaScript 的 shell,其提供了許多高階功能和自定義功能。

使用技巧

對於 MongoDB 提供的功能,shell 內建了幫助檔案,可以輸入 help 命令進行存取,使用 db.help() 可以檢視資料庫級別的幫助檔案,使用 db.foo.help() 可以檢視集合級別的幫助檔案。

在 shell 中使用函數之前,在不使用括號的情況下輸入函數名,這樣會列印出函數的原始碼,這是一個可以檢視函數具體行為的好方法。

執行指令碼

shell 不止可以直接執行 JavaScript 的指令碼程式碼,還可以用於執行 JavaScript 的指令碼檔案,簡單執行 mongo script.js 即可。

如果已經進入到 shell 中,可以使用 load() 函數載入 JavaScript 指令碼檔案。

建立 .mongorc.js 檔案

對於需要頻繁被載入的指令碼,可以將它們新增到 .mongorc.js 中,此檔案會在啟動 shell 時自動執行。

在更實際一些的場景中,使用此指令碼可以設定全域性變數,或者為長名稱設定一個簡短的別名,也可以重寫內建函數。

客製化提示資訊

通過將 prompt 變數設定為一個字串或函數,可以重寫預設的 shell 提示,如下範例:

prompt = function() {
    if (typeof db == 'undefined') {
        return '(nodb)> ';
    }

    // 檢查最後的資料庫操作
    try {
        db.runCommand({getLastError: 1});
    } catch (e) {
        print(e);
    }

    return db+"> ";
};

提示函數應該返回一個字串,通常應該包含對 getLastError 的呼叫,這樣可以捕獲輸入時的錯誤,並在 shell 斷開連線時自動重新連線。

編輯複雜變數

使用 shell 時,編輯多行的時候不能再編輯前面的行,這對於較大的程式碼塊或物件非常不友好。

為此,可以在 shell 中設定 EDITOR 變數,則可以使用 edit varname 的方式編輯一個變數,完成更改後只需儲存並退出編輯器,變數將被重新解析並載入回 shell 中。

不便使用的集合名稱

大多數情況下可以使用 db.collectionName 語法來獲得一個集合的內容,但如果集合名稱是保留字或是無效的 JavaScript 屬性名稱時,那麼此方法就不能正常工作了。

對於上述的情況,可以使用 db.getCollection() 的方式繞過無效屬性。