MongoDB使用手册：从入门到进阶的完整指南

一、MongoDB简介与核心优势

MongoDB作为一款非关系型（NoSQL）数据库，以其灵活的文档模型、水平扩展能力和高性能表现，成为现代应用开发的热门选择。其核心优势体现在：

1. 文档型存储：数据以BSON格式（二进制JSON）存储，支持嵌套结构和动态模式，无需预定义表结构。
2. 水平扩展：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. 查询灵活性：支持丰富的查询操作（如范围查询、正则匹配、地理空间查询等），结合聚合管道可实现复杂数据分析。
4. 高可用性：基于副本集（Replica Set）的自动故障转移机制，确保服务连续性。

二、安装与基础配置

1. 安装MongoDB

步骤：

• Linux/macOS：通过包管理器（如apt、brew）或官方TGZ包安装。

  # Ubuntu示例
  sudo apt-get install -y mongodb-org
  sudo systemctl start mongod

• Windows：下载MSI安装包，按向导完成安装，并配置环境变量。

验证安装：

mongosh --version
# 输出示例：6.0.5

2. 基础配置

• 配置文件：修改/etc/mongod.conf（Linux）或安装目录下的mongod.cfg（Windows），调整参数如：

  net:
    port: 27017
    bindIp: 0.0.0.0  # 允许远程连接
  storage:
    dbPath: /var/lib/mongodb

• 启动服务：

  sudo systemctl enable mongod  # 开机自启
  sudo systemctl restart mongod

三、核心概念与操作

1. 数据库与集合

• 数据库：通过use <db_name>切换或创建数据库（如use mydb）。
• 集合：类似关系型数据库的表，但无需显式创建。插入文档时自动生成集合。

2. CRUD操作

插入文档：

// 插入单条文档
db.users.insertOne({
  name: "Alice",
  age: 30,
  tags: ["developer", "mongodb"]
});
// 插入多条文档
db.users.insertMany([
  { name: "Bob", age: 25 },
  { name: "Charlie", age: 35 }
]);

查询文档：

// 基础查询
db.users.find({ age: { $gt: 28 } });  // 年龄大于28
db.users.findOne({ name: "Alice" });  // 返回单条
// 投影（选择字段）
db.users.find({}, { name: 1, _id: 0 });  // 只返回name字段

更新文档：

// 更新单个字段
db.users.updateOne(
  { name: "Alice" },
  { $set: { age: 31 } }
);
// 替换整个文档
db.users.replaceOne(
  { name: "Bob" },
  { name: "Bob", age: 26, role: "admin" }
);

删除文档：

db.users.deleteOne({ name: "Charlie" });  // 删除单条
db.users.deleteMany({ age: { $lt: 30 } });  // 删除多条

3. 索引优化

索引是提升查询性能的关键。MongoDB支持单字段索引、复合索引、多键索引等。

创建索引：

// 单字段索引
db.users.createIndex({ name: 1 });  // 1表示升序，-1表示降序
// 复合索引
db.users.createIndex({ age: 1, name: -1 });
// 唯一索引
db.users.createIndex({ email: 1 }, { unique: true });

查看索引：

db.users.getIndexes();

索引使用建议：

• 为高频查询字段创建索引。
• 避免过度索引，因为索引会占用存储空间并降低写入性能。
• 使用explain()分析查询执行计划：

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

四、聚合框架（Aggregation）

聚合框架用于数据分析和转换，通过管道（Pipeline）分阶段处理文档。

基本语法：

db.collection.aggregate([
  { $match: { ... } },  // 过滤阶段
  { $group: { ... } },  // 分组阶段
  { $sort: { ... } },   // 排序阶段
  // 更多阶段...
]);

示例：统计每个年龄段的用户数量：

db.users.aggregate([
  { $group: {
      _id: { $floor: { $divide: ["$age", 10] } },  // 按10岁分段
      count: { $sum: 1 }
    }
  },
  { $sort: { "_id": 1 } }
]);

五、安全机制

1. 认证与授权

MongoDB支持基于角色的访问控制（RBAC）。

创建管理员用户：

use admin;
db.createUser({
  user: "admin",
  pwd: "password123",
  roles: ["root"]
});

创建应用用户并授权：

use mydb;
db.createUser({
  user: "app_user",
  pwd: "app_pass",
  roles: ["readWrite"]  // 读写权限
});

启用认证：
修改配置文件：

security:
  authorization: enabled

重启服务后，连接时需指定用户名和密码：

mongosh "mongodb://app_user:app_pass@localhost:27017/mydb"

2. 加密与传输安全

• TLS/SSL：配置证书以加密数据传输。
• SCRAM-SHA-256：默认使用更安全的认证机制（替代SCRAM-SHA-1）。

六、高可用与水平扩展

1. 副本集（Replica Set）

副本集提供数据冗余和自动故障转移。

初始化副本集：

1. 修改配置文件，指定replSetName：

   replication:
     replSetName: "rs0"

2. 启动多个mongod实例（通常3个节点）。
3. 连接主节点并初始化：

   rs.initiate({
     _id: "rs0",
     members: [
       { _id: 0, host: "mongo1:27017" },
       { _id: 1, host: "mongo2:27017" },
       { _id: 2, host: "mongo3:27017" }
     ]
   });

验证副本集状态：

rs.status();

2. 分片（Sharding）

分片用于水平扩展数据存储。

分片集群组件：

• Shard：存储数据的节点。
• Config Server：存储元数据（如分片键分布）。
• Mongos：路由查询请求。

部署分片集群：

1. 启动3个mongod实例作为配置服务器（--configsvr）。
2. 启动多个mongod实例作为分片（--shardsvr）。
3. 启动mongos路由：

   mongos --configdb rs_config/config1:27019,config2:27019,config3:27019

4. 添加分片并启用分片：

   sh.addShard("rs0/shard1:27018,shard2:27018");
   sh.enableSharding("mydb");
   sh.shardCollection("mydb.users", { "user_id": 1 });  // 指定分片键

七、最佳实践与性能调优

1. 模式设计：
   • 嵌套文档减少关联查询。
   • 避免过深的嵌套（建议不超过3层）。
2. 查询优化：
   • 使用投影减少返回数据量。
   • 避免全集合扫描（确保查询使用索引）。
3. 硬件配置：
   • 使用SSD提升I/O性能。
   • 为分片集群分配足够的内存（避免频繁换页）。
4. 监控工具：
   • MongoDB Compass：可视化监控。
   • mongotop/mongostat：命令行监控工具。

八、总结

MongoDB凭借其灵活的文档模型、强大的查询能力和高可用架构，成为现代应用开发的理想选择。通过掌握本文介绍的安装配置、CRUD操作、索引优化、聚合框架和安全机制，开发者可以高效地利用MongoDB构建高性能应用。同时，结合副本集和分片技术，可轻松应对海量数据和高并发场景。