MongoDB 使用手册：从安装到高阶应用的完整指南

一、MongoDB 基础与安装配置

MongoDB 是一个基于文档的 NoSQL 数据库，以灵活的数据模型、水平扩展能力和高性能著称。其核心数据结构为 BSON（Binary JSON），支持嵌套文档、数组等复杂结构，适合处理非结构化或半结构化数据。

1.1 安装与启动

• Linux/macOS：通过包管理器（如 apt、brew）或官方二进制包安装，启动命令为 mongod --dbpath /data/db。
• Windows：下载 MSI 安装包，配置环境变量后通过服务管理器启动。
• Docker 部署：使用官方镜像快速启动：

  docker run --name mongodb -d -p 27017:27017 mongo

1.2 配置文件与参数

MongoDB 支持通过 mongod.conf 配置文件调整参数，例如：

storage:
  dbPath: /var/lib/mongodb
  journal:
    enabled: true
net:
  bindIp: 0.0.0.0
  port: 27017

关键参数包括 dbPath（数据存储路径）、bindIp（绑定IP）和 wiredTigerCacheSizeGB（缓存大小）。

二、核心概念与数据模型

2.1 数据库、集合与文档

• 数据库（Database）：逻辑上的命名空间，存储多个集合。
• 集合（Collection）：类似关系型数据库的表，但无需预定义模式。
• 文档（Document）：BSON 格式的键值对，例如：

  {
    "_id": ObjectId("507f1f77bcf86cd799439011"),
    "name": "Alice",
    "age": 30,
    "hobbies": ["reading", "hiking"]
  }

2.2 数据类型与模式设计

MongoDB 支持多种数据类型（如 String、Number、Date、ObjectId）。设计集合时需考虑：

• 嵌入（Embedding）：将关联数据存储在单个文档中（如订单与订单项）。
• 引用（Referencing）：通过 ObjectId 关联多个集合（如用户与订单）。

三、CRUD 操作详解

3.1 插入文档

使用 insertOne() 或 insertMany()：

db.users.insertOne({ name: "Bob", age: 25 });
db.users.insertMany([{ name: "Charlie" }, { name: "David" }]);

3.2 查询文档

• 基本查询：

  db.users.find({ age: { $gt: 20 } }); // 年龄大于20

• 投影：仅返回指定字段：

  db.users.find({}, { name: 1, _id: 0 });

3.3 更新文档

• 替换更新：

  db.users.updateOne({ name: "Bob" }, { $set: { age: 26 } });

• 数组更新：

  db.users.updateOne(
    { name: "Alice" },
    { $push: { hobbies: "swimming" } }
  );

3.4 删除文档

• 删除单个文档：

  db.users.deleteOne({ name: "Charlie" });

• 删除所有匹配文档：

  db.users.deleteMany({ age: { $lt: 18 } });

四、索引优化与性能调优

4.1 索引类型

• 单字段索引：

  db.users.createIndex({ name: 1 }); // 1表示升序

• 复合索引：

  db.users.createIndex({ age: 1, name: -1 });

• 多键索引：对数组元素建立索引：

  db.users.createIndex({ "hobbies": 1 });

4.2 索引使用分析

通过 explain() 查看查询执行计划：

db.users.find({ name: "Alice" }).explain("executionStats");

关注 executionStats.totalDocsExamined 和 executionStats.executionTimeMillis 评估索引效率。

五、聚合框架与数据分析

5.1 聚合管道

聚合管道由多个阶段（Stage）组成，例如：

db.orders.aggregate([
  { $match: { status: "completed" } },
  { $group: { _id: "$customerId", total: { $sum: "$amount" } } },
  { $sort: { total: -1 } },
  { $limit: 5 }
]);

• $match：过滤文档。
• $group：按字段分组并计算聚合值。
• $sort 和 $limit：排序和限制结果。

5.2 常用聚合操作符

• 算术操作符：$sum、$avg、$min、$max。
• 字符串操作符：$concat、$substr。
• 日期操作符：$year、$month、$dayOfMonth。

六、事务与多文档操作

6.1 多文档事务

MongoDB 4.0+ 支持多文档事务，适用于需要原子性的场景：

const session = db.getMongo().startSession();
session.startTransaction();
try {
  db.accounts.updateOne(
    { _id: "A1" },
    { $inc: { balance: -100 } },
    { session }
  );
  db.accounts.updateOne(
    { _id: "A2" },
    { $inc: { balance: 100 } },
    { session }
  );
  session.commitTransaction();
} catch (error) {
  session.abortTransaction();
}

6.2 事务隔离级别

MongoDB 事务默认使用 快照隔离（Snapshot Isolation），确保事务内读取的数据一致性。

七、安全与权限管理

7.1 认证与授权

• 启用认证：在 mongod.conf 中设置 security.authorization: enabled。
• 创建管理员用户：

  use admin;
  db.createUser({
    user: "admin",
    pwd: "password",
    roles: ["root"]
  });

• 角色分配：

  use mydb;
  db.createUser({
    user: "appUser",
    pwd: "password",
    roles: ["readWrite"]
  });

7.2 网络加密与 TLS

通过 net.tls 配置启用 TLS：

net:
  tls:
    mode: requireTLS
    certificateKeyFile: /etc/ssl/mongodb.pem

八、高可用与副本集

8.1 副本集配置

副本集由多个节点组成（主节点、从节点、仲裁节点），配置步骤如下：

1. 初始化副本集：

   rs.initiate({
     _id: "myReplicaSet",
     members: [
       { _id: 0, host: "mongo1:27017" },
       { _id: 1, host: "mongo2:27017" },
       { _id: 2, host: "mongo3:27017", arbiterOnly: true }
     ]
   });

2. 监控副本集状态：

   rs.status();

8.2 故障转移与选举

当主节点不可用时，副本集通过 Raft 协议 选举新主节点，确保高可用性。

九、最佳实践与常见问题

9.1 性能优化建议

• 合理设计索引：避免过度索引，定期分析慢查询。
• 分片策略：对大数据集使用分片（Sharding），按字段（如 userId）划分数据。
• 硬件选择：优先使用 SSD 存储，增加内存以提升缓存效率。

9.2 常见错误处理

• 连接失败：检查防火墙设置和 bindIp 配置。
• 索引创建失败：确保字段类型一致，避免在大型集合上创建索引时阻塞操作。
• 事务超时：调整 transactionLifetimeLimitSeconds 参数（默认60秒）。

十、总结与扩展

MongoDB 凭借其灵活的数据模型、强大的聚合框架和高可用性，成为现代应用开发的热门选择。通过合理设计数据模型、优化索引和利用聚合管道，可以显著提升查询性能。进一步学习可参考：

• 官方文档：MongoDB Manual
• M030/M121 课程：MongoDB 大学提供的免费课程。
• 社区工具：如 MongoDB Compass（可视化工具）、Atlas（云数据库服务）。

通过实践和不断探索，开发者可以充分发挥 MongoDB 的潜力，构建高效、可扩展的应用系统。