MongoDB使用手册：从入门到进阶实践指南

一、MongoDB核心概念解析

MongoDB作为领先的文档型NoSQL数据库，其核心设计理念围绕”灵活模式”（Schema Flexibility）和”水平扩展”（Horizontal Scalability）展开。与关系型数据库不同，MongoDB采用BSON格式存储数据，每个文档可包含不同字段结构，这种特性使得它特别适合处理半结构化数据（如日志、传感器数据、用户行为数据）。

1.1 数据模型设计原则

• 嵌套文档：通过将相关数据内联存储减少关联查询，例如将用户地址信息直接嵌入用户文档
• 引用模式：对频繁更新的数据采用引用方式，避免嵌套文档的更新开销
• 数组字段：合理使用数组存储多值属性（如标签、评论），但需控制数组长度（建议不超过100个元素）

实践建议：在设计电商订单模型时，可采用混合模式——将订单基础信息（订单号、用户ID）作为独立文档，而将商品明细（含SKU、数量、单价）以数组形式嵌入，同时通过用户ID建立与用户表的引用关系。

二、环境部署与配置优化

2.1 安装部署方案

• 单机部署：适用于开发环境，通过sudo apt-get install mongodb-org快速安装
• 副本集部署：生产环境标准配置，至少需要3个节点（1主2从）
• 分片集群部署：处理TB级数据时采用，包含配置服务器（Config Server）、分片服务器（Shard Server）和路由进程（Mongos）

关键配置参数：

# mongod.conf 示例配置
storage:
  dbPath: /var/lib/mongodb
  journal:
    enabled: true
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 4  # 根据内存大小调整
operationProfiling:
  mode: slowOp  # 开启慢查询分析
  slowOpThresholdMs: 100

2.2 性能基准测试

使用mongostat和mongotop工具监控数据库状态，典型优化场景：

• 当查询延迟超过200ms时，检查索引使用情况
• 连接数持续高于80%时，考虑增加连接池大小
• 磁盘I/O等待时间过长时，评估是否需要升级存储介质

三、CRUD操作实战指南

3.1 查询操作进阶

• 投影查询：仅返回必要字段

  db.users.find(
  { age: { $gt: 25 } },
  { name: 1, email: 1, _id: 0 }
  )

• 分页查询：使用skip()和limit()组合

  // 第二页，每页10条
  db.products.find().skip(10).limit(10)

• 文本搜索：创建文本索引后执行全文检索

  db.articles.createIndex({ content: "text" })
  db.articles.find({ $text: { $search: "MongoDB 教程" } })

3.2 更新操作技巧

• 原子更新：使用$set、$inc等操作符

  // 原子增加库存
  db.inventory.updateOne(
  { sku: "abc123" },
  { $inc: { "stock": -1 } }
  )

• 批量更新：bulkWrite()实现高效操作

  const ops = [
  { updateOne: { filter: { status: "A" }, update: { $set: { qty: 100 } } } },
  { deleteOne: { filter: { status: "D" } } }
  ];
  db.collection.bulkWrite(ops);

四、索引优化策略

4.1 索引类型选择

索引类型	适用场景	创建语法
单字段索引	常用查询条件	db.col.createIndex({a:1})
复合索引	多条件组合查询	db.col.createIndex({a:1,b:1})
多键索引	数组字段查询	db.col.createIndex({"tags":1})
地理空间索引	位置相关查询	db.places.createIndex({loc:"2dsphere"})

4.2 索引使用原则

1. 选择性原则：高选择性字段（如用户ID）应优先建索引
2. 前缀原则：复合索引{a:1,b:1}可加速{a:1}和{a:1,b:1}查询，但无法加速{b:1}查询
3. TTL索引：自动过期数据

   db.log_events.createIndex(
   { "createdAt": 1 },
   { expireAfterSeconds: 3600 }
   )

五、聚合框架深度应用

5.1 聚合管道设计

典型电商分析管道示例：

db.orders.aggregate([
  { $match: { status: "completed", orderDate: { $gte: ISODate("2023-01-01") } } },
  { $unwind: "$items" },
  { $group: {
      _id: "$items.category",
      totalSales: { $sum: { $multiply: ["$items.quantity", "$items.price"] } },
      avgPrice: { $avg: "$items.price" }
    }
  },
  { $sort: { totalSales: -1 } },
  { $limit: 5 }
])

5.2 性能优化技巧

• 使用$explain分析管道执行计划
• 将$match阶段尽可能前置减少处理数据量
• 对大数据集考虑使用$merge将结果写入集合

六、高可用架构实践

6.1 副本集配置要点

• 奇数个节点（3/5/7）确保仲裁有效性
• 优先节点设置：

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

6.2 分片集群部署方案

• 分片键选择：遵循低基数、均匀分布原则
• chunk迁移监控：

  sh.status()  // 查看分片分布
  db.adminCommand({ listShards: 1 })  // 查看分片列表

七、安全与运维管理

7.1 认证授权配置

• 启用SCRAM-SHA-256认证：

  # mongod.conf
  security:
  authorization: enabled

• 创建管理员用户：

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

7.2 备份恢复策略

• 逻辑备份：使用mongodump/mongorestore

  mongodump --host=127.0.0.1 --db=test --out=/backup
  mongorestore --host=127.0.0.1 --db=test_restored /backup/test

• 物理备份：WiredTiger快照（需文件系统支持）

八、常见问题解决方案

1. 连接超时：检查net.maxIncomingConnections（默认65536）和net.socketTimeoutMS
2. 写入延迟：评估是否需要增加w值（写关注度）或优化索引
3. 内存不足：调整wiredTiger.engineConfig.cacheSizeGB（建议不超过物理内存50%）

本手册覆盖了MongoDB从基础操作到高级架构的核心知识点，建议开发者结合官方文档（https://docs.mongodb.com/）进行深入学习。实际部署时，应根据具体业务场景进行参数调优和架构设计。