MongoDB使用手册：从安装到高级查询的完整指南

一、MongoDB简介与核心优势

MongoDB作为一款基于文档的非关系型数据库（NoSQL），以灵活的数据模型、水平扩展能力和高性能读写著称。其核心优势体现在：

1. 无固定模式（Schema-Free）：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. 文档型存储：数据以BSON（二进制JSON）格式存储，支持嵌套数组和对象，简化复杂数据建模。
3. 分布式架构：通过分片（Sharding）实现数据水平拆分，支持PB级数据存储与高并发访问。
4. 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，媲美关系型数据库的查询能力。

典型应用场景包括实时分析、内容管理系统、物联网设备数据存储等。例如，某电商平台通过MongoDB存储用户行为日志，利用聚合框架实现分钟级销售趋势分析。

二、安装与基础配置

1. 环境准备

• 系统要求：Linux（推荐Ubuntu/CentOS）、Windows 10+或macOS 10.14+。
• 版本选择：企业级应用建议使用最新稳定版（如6.0+），开发环境可选用社区版。

2. 安装步骤（以Ubuntu为例）

# 导入公钥并添加APT源
wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-6.0.asc | sudo apt-key add -
echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu $(lsb_release -cs)/mongodb-org/6.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-6.0.list
# 安装MongoDB
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org
# 启动服务
sudo systemctl start mongod
sudo systemctl enable mongod

3. 连接与验证

# 使用mongo shell连接
mongo --host 127.0.0.1 --port 27017
# 执行测试查询
> use admin
> db.runCommand({ping: 1})
# 返回{"ok": 1}表示连接成功

三、核心概念与数据模型

1. 数据库、集合与文档

• 数据库（Database）：顶层容器，不同数据库隔离存储。
• 集合（Collection）：等价于关系型数据库的表，但无需定义字段类型。
• 文档（Document）：核心数据单元，格式示例：

  {
  "_id": ObjectId("507f1f77bcf86cd799439011"),
  "name": "John Doe",
  "age": 30,
  "address": {
    "street": "123 Main St",
    "city": "New York"
  },
  "tags": ["developer", "mongodb"]
  }

2. 数据类型

• 基本类型：String、Number、Boolean、Date。
• 特殊类型：
  • ObjectId：12字节唯一标识符。
  • Binary：存储二进制数据（如图片）。
  • Decimal128：高精度十进制数，适用于金融场景。

四、CRUD操作详解

1. 插入文档

// 插入单条文档
db.users.insertOne({
  name: "Alice",
  email: "alice@example.com",
  createdAt: new Date()
})
// 批量插入
db.products.insertMany([
  {name: "Laptop", price: 999},
  {name: "Phone", price: 699}
])

2. 查询文档

// 基础查询
db.users.find({age: {$gt: 25}})  // 年龄大于25
// 分页查询
db.orders.find()
  .skip(10)  // 跳过前10条
  .limit(5)  // 限制返回5条
// 投影（选择返回字段）
db.books.find({}, {title: 1, author: 1, _id: 0})

3. 更新文档

// 替换整个文档
db.customers.updateOne(
  {_id: ObjectId("...")},
  {$set: {status: "premium", points: 500}}
)
// 数组操作
db.blog.updateOne(
  {_id: ObjectId("...")},
  {$push: {comments: {text: "Great post!", author: "Bob"}}}
)

4. 删除文档

// 删除匹配的第一条
db.logs.deleteOne({level: "error"})
// 删除所有匹配项
db.sessions.deleteMany({expiresAt: {$lt: new Date()}})

五、索引优化与性能调优

1. 索引类型

• 单字段索引：加速对单个字段的查询。

  db.users.createIndex({email: 1})  // 1表示升序，-1表示降序

• 复合索引：优化多字段组合查询。

  db.orders.createIndex({customerId: 1, date: -1})

• 多键索引：针对数组字段。

  db.articles.createIndex({tags: 1})

• 地理空间索引：支持位置查询。

  db.places.createIndex({location: "2dsphere"})

2. 索引管理

• 查看索引：db.collection.getIndexes()
• 删除索引：db.collection.dropIndex("index_name")
• 索引使用分析：使用explain()方法。

  db.products.find({price: {$gt: 100}}).explain("executionStats")

六、安全与权限控制

1. 启用认证

1. 修改配置文件/etc/mongod.conf：

   security:
     authorization: enabled

2. 创建管理员用户：

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

2. 角色管理

MongoDB内置角色包括：

• readWrite：读写权限。
• dbAdmin：数据库管理（如索引创建）。
• clusterAdmin：集群管理权限。

自定义角色示例：

use admin
db.createRole({
  role: "analyticsUser",
  privileges: [
    {resource: {db: "sales", collection: ""}, actions: ["find", "aggregate"]}
  ],
  roles: []
})

七、高级功能与最佳实践

1. 聚合框架

复杂分析示例：计算每类产品的平均价格和销量。

db.products.aggregate([
  {$match: {inStock: true}},
  {$group: {
    _id: "$category",
    avgPrice: {$avg: "$price"},
    totalSales: {$sum: "$sales"}
  }},
  {$sort: {totalSales: -1}}
])

2. 事务支持

MongoDB 4.0+支持多文档事务：

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();
  throw error;
}

3. 备份与恢复

• mongodump：逻辑备份工具。

  mongodump --uri "mongodb://localhost/test" --out /backup

• mongorestore：恢复数据。

  mongorestore --uri "mongodb://localhost/test" /backup/test

八、常见问题与解决方案

1. 连接失败：检查防火墙是否开放27017端口，验证认证信息。
2. 写入延迟：检查磁盘I/O性能，优化索引或考虑分片。
3. 内存不足：调整wiredTiger引擎缓存大小（storage.wiredTiger.engineConfig.cacheSizeGB）。

九、总结与进阶资源

MongoDB的灵活性使其成为现代应用开发的理想选择。建议开发者：

• 深入学习聚合框架和事务处理。
• 关注官方博客获取新版本特性（如7.0的时间序列集合支持）。
• 参与MongoDB大学免费课程（https://university.mongodb.com）。

通过合理设计数据模型、优化索引和利用分布式架构，MongoDB能够支撑从初创公司到大型企业的多样化需求。