一、MongoDB简介与核心特性

MongoDB是一款基于文档的非关系型数据库（NoSQL），采用BSON（Binary JSON）格式存储数据，支持灵活的数据模型和水平扩展能力。其核心优势包括：

1. 无固定模式设计：无需预先定义表结构，支持动态字段增减，适应快速迭代的业务需求。
2. 水平扩展性：通过分片（Sharding）技术实现数据分布式存储，轻松应对海量数据和高并发场景。
3. 丰富的查询语言：支持聚合管道、地理空间查询、文本搜索等高级功能，满足复杂业务逻辑。
4. 高可用架构：通过副本集（Replica Set）提供自动故障转移和数据冗余，确保服务连续性。

二、环境搭建与基础操作

1. 安装与配置

• Linux/macOS安装：通过包管理器（如apt或brew）安装MongoDB社区版，或下载官方.tgz包解压后配置环境变量。
• Windows安装：下载MSI安装包，勾选“Install MongoDB as a Service”选项实现开机自启。
• 配置文件优化：修改/etc/mongod.conf（Linux）或mongod.cfg（Windows），调整dbPath、port、bindIp等参数。

示例：启动MongoDB服务

# Linux启动命令
sudo systemctl start mongod
# Windows启动命令（管理员权限）
net start MongoDB

2. 连接与基本命令

• Mongo Shell：通过mongo命令进入交互式终端，执行show dbs查看数据库列表，use <dbname>切换数据库。
• Compass GUI工具：官方提供的可视化工具，支持图形化查询、索引管理和性能监控。

三、数据建模与CRUD操作

1. 文档结构与集合设计

• 嵌套文档：将关联数据嵌入单个文档，减少查询次数（如订单与订单项）。
• 引用式设计：通过_id字段关联不同集合，适用于一对多或低频访问场景。
• 范式化与反范式化权衡：根据读/写比例选择数据组织方式，平衡查询效率与更新开销。

2. CRUD操作详解

插入文档

// 插入单条文档
db.users.insertOne({
  name: "Alice",
  age: 28,
  skills: ["JavaScript", "Python"]
});
// 插入多条文档
db.users.insertMany([
  {name: "Bob", age: 32},
  {name: "Charlie", age: 25}
]);

查询文档

// 条件查询
db.users.find({age: {$gt: 25}});
// 投影（返回指定字段）
db.users.find({}, {name: 1, _id: 0});
// 排序与分页
db.users.find().sort({age: -1}).skip(10).limit(5);

更新文档

// 替换整个文档
db.users.replaceOne({name: "Alice"}, {name: "Alice", title: "Engineer"});
// 部分字段更新
db.users.updateOne(
  {name: "Bob"},
  {$set: {age: 33}, $push: {skills: "MongoDB"}}
);

删除文档

// 删除匹配的第一条文档
db.users.deleteOne({name: "Charlie"});
// 删除所有匹配文档
db.users.deleteMany({age: {$lt: 30}});

四、索引优化与性能调优

1. 索引类型与创建

• 单字段索引：加速对单个字段的查询（如db.users.createIndex({name: 1})）。
• 复合索引：优化多字段查询条件（如db.orders.createIndex({customerId: 1, date: -1})）。
• 多键索引：为数组字段创建索引（如db.users.createIndex({"skills": 1})）。
• TTL索引：自动过期删除文档（如db.logs.createIndex({createdAt: 1}, {expireAfterSeconds: 3600})）。

2. 索引使用原则

• 选择性高的字段优先：对唯一值多的字段建索引（如用户ID优于性别）。
• 避免过度索引：每个索引占用存储空间并降低写入性能，需通过explain()分析查询计划。
• 覆盖查询：确保查询仅通过索引返回数据，避免回表操作。

五、高可用与分布式架构

1. 副本集（Replica Set）

• 架构组成：1个主节点（Primary）和多个从节点（Secondary），通过心跳检测实现自动故障转移。
• 配置步骤：
  1. 初始化副本集：rs.initiate({_id: "rs0", members: [{_id: 0, host: "mongo1:27017"}]})。
  2. 添加从节点：rs.add("mongo2:27017")。
  3. 验证状态：rs.status()。

2. 分片集群（Sharded Cluster）

• 分片键选择：基于查询频率和数据分布均匀性选择（如用户ID哈希分片）。
• 配置服务器（Config Server）：存储元数据，需部署为3节点副本集。
• 分片节点（Shard）：存储实际数据，支持动态扩容。

示例：启用分片

// 启用数据库分片
sh.enableSharding("mydb");
// 对集合分片
sh.shardCollection("mydb.users", {userId: "hashed"});

六、安全与监控

1. 认证与授权

• 启用认证：在配置文件中设置security.authorization: enabled，创建管理员用户后重启服务。
• 角色管理：通过db.createRole()和db.grantRolesToUser()实现细粒度权限控制。

2. 监控工具

• mongostat：实时监控操作计数、锁状态等指标。
• mongotop：跟踪集合级别的读写时间分布。
• Atlas云监控：提供可视化仪表盘和自动告警功能。

七、最佳实践与常见问题

1. 批量操作：使用bulkWrite()减少网络往返，提升写入吞吐量。
2. 连接池配置：在应用层设置合理的连接池大小（如Driver默认100），避免频繁创建连接。
3. 事务使用场景：仅在需要原子性操作的多文档更新时使用（如金融交易），注意4MB事务大小限制。
4. 备份策略：结合mongodump/mongorestore和WiredTiger存储引擎的快照功能制定备份计划。

结语：MongoDB凭借其灵活的数据模型和强大的扩展能力，已成为现代应用开发的热门选择。通过掌握本文介绍的核心概念与操作技巧，开发者能够高效构建高性能、高可用的数据库系统，应对日益复杂的业务挑战。