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2.1 MongoDB：面向文档的灵活存储

2.1.1 MongoDB基础与架构

2.1.1.1基本概念

2.1.1.2MongoDB安装与配置

1）安装MongoDB-Linux安装示例（以Ubuntu为例）

2）更新包列表并安装MongoDB

3）启动MongoDB服务

4）使用MongoDB Shell

2.1.1.2架构设计

1）主从复制配置示例

2）分片配置示例

2.1 MongoDB：面向文档的灵活存储

MongoDB是一种开源的、基于分布式文件存储的数据库系统，以其灵活的数据模型、高性能、易扩展性著称。它属于NoSQL数据库的一种，特别适合处理大规模、低延迟的数据存储需求，尤其在处理半结构化和非结构化数据方面表现卓越。MongoDB采用面向文档（BSON）的数据模型，每个文档都是由键值对组成的，这使得数据的存储和查询更为直观和灵活。

2.1.1 MongoDB基础与架构

2.1.1.1基本概念

MongoDB的设计哲学深受现代web应用和分布式系统的需求影响，提供了一种灵活、强大且易于理解的数据模型，使得数据存储和处理更加适应复杂多变的业务场景。下面是对几个核心概念的详细阐述：

1）文档（Document）

文档是MongoDB中最基本的数据结构单元，相当于关系型数据库中的一行记录。但与传统数据库不同，MongoDB的文档不是严格固定的表格结构，而是采用类似JSON（JavaScript Object Notation）的对象格式，称为BSON（Binary JSON）。BSON不仅支持字符串、数字、布尔值等基本数据类型，还支持数组、嵌套文档等复杂数据结构，这使得文档能够自然地表示现实世界中的复杂对象和关系。例如，一个用户文档可能包含姓名、年龄、邮箱等基本信息，同时还嵌套有地址（包括街道、城市、国家等）这样的复杂属性。

2）集合（Collection）

集合是一组文档的集合，可以将其类比为关系数据库中的表，但具有更高的灵活性。在MongoDB中，集合不需要预先定义其结构或列，意味着可以随时向文档中添加新的字段，而不会影响到集合中其他文档的结构。该模式被称为“模式自由”（schema-free），极大地提高了数据模型的灵活性和适应性。但在实际应用中，为保持数据的一致性和便于查询优化，通常会为集合设计一个松散的模式指导文档的结构。

3）数据库（Database）

数据库是MongoDB中用于存储集合的容器。与关系数据库相似，MongoDB允许创建多个数据库来组织和隔离数据。每个数据库都有独立的权限控制和命名空间，使得不同项目或应用可以在同一个MongoDB实例中运行而不互相干扰。数据库名称必须是UTF-8编码，且不能是空字符串，同时，".", "$", 和空字符（空格、制表符等）不允许出现在数据库名称中。使用use <database_name>命令可以切换到指定的数据库进行操作。

MongoDB凭借其灵活的数据模型，允许文档结构随需求动态调整，无需预设字段类型，高度契合快速迭代和数据结构多变的应用场景，展现出卓越的灵活性。集合（Collection）作为文档的集合体，实现模式自由，动态适应数据结构的变化，实践中常辅以松散模式指导以维护数据一致性和查询效率。结合其对现代应用需求的深度贴合，使其成为大数据存储和处理领域的一个强大工具。

2.1.1.2MongoDB安装与配置

访问MongoDB的官方网站：Download MongoDB Community Server | MongoDB ，根据您的操作系统选择合适的MongoDB社区版进行下载。本示例以Linux系统为例，但步骤在其他操作系统（如Windows、macOS）上也类似，只需参考相应系统的安装指南。

1）安装MongoDB-Linux安装示例（以Ubuntu为例）

添加MongoDB官方的APT存储库，代码如下：

wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-4.4.asc | sudo apt-key add -
echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu focal/mongodb-org/4.4 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-4.4.list

2）更新包列表并安装MongoDB

更新包列表并安装MongoDB，代码如下：

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

3）启动MongoDB服务

更新包列表并安装MongoDB，设置MongoDB开机启动，代码如下：

sudo systemctl start mongod
sudo systemctl enable mongod

4）使用MongoDB Shell

安装完成后，您可以直接在终端使用mongo命令启动MongoDB Shell，这是与MongoDB数据库交互的命令行界面，代码如下：

mongo

2.1.1.2架构设计

MongoDB采用主从复制和分片技术来实现数据的高可用性和水平扩展。

主从复制（Replication）：MongoDB使用主从复制来保证数据的冗余和高可用性。一个集群包含一个主节点和多个从节点。所有写操作首先发生在主节点上，然后被复制到从节点。如果主节点发生故障，其中一个从节点会被自动选为主节点，保证服务的连续性。

分片（Sharding）：当单个服务器无法满足数据量增长或性能要求时，MongoDB可以通过分片技术将数据分布在多个服务器上。分片基于分片键（shard key）进行，这个键决定了数据如何在各个分片服务器间分布。

1）主从复制配置示例

假设有两个MongoDB实例运行在本地的27017和27018端口，以下是如何配置一个简单的副本集：

在第一个实例上初始化副本集，代码如下：

mongo --port 27017
use admin
rs.initiate(
   {
     _id : "myReplicaSet",
     members: [
       { _id : 0, host : "localhost:27017" },
       { _id : 1, host : "localhost:27018" }
     ]
   }
)

在第二个实例上加入副本集，需要修改第二个实例的配置文件（如/etc/mongod.conf），添加replication.replSetName: "myReplicaSet"，然后重启服务，连接到第二个实例并执行以下命令，代码如下：

mongo --port 27018
rs.add("localhost:27017")

mongos --configdb configReplSet/host1:port1,host2:port2,host3:port3

use admin
sh.enableSharding("yourDatabaseName")
sh.shardCollection("yourDatabaseName.yourCollectionName", { "yourShardKey": "hashed" })