一、MongoDB 简介

1.1 什么是 MongoDB？

MongoDB 是一款基于分布式文件存储的开源 NoSQL 数据库，由 C++ 语言编写。它旨在为 Web 应用提供可扩展的高性能数据存储解决方案。MongoDB 将数据存储为文档，这些文档以类似 JSON 的 BSON（Binary JSON）格式存储，使数据结构非常灵活。

1.2 MongoDB 核心特点

• 高性能：内存计算，数据读写速度快
• 高可用性：支持自动故障转移和数据复制
• 易扩展性：支持水平扩展（分片），轻松处理海量数据
• 灵活的数据模型：动态模式，无需预先定义表结构
• 丰富的查询语言：支持复杂的查询和聚合操作
• 内置地理空间索引：支持地理空间查询

1.3 MongoDB 与关系型数据库对比

术语	MongoDB	关系型数据库
数据库	database	database
集合	collection	table
文档	document	row
字段	field	column
主键	_id	primary key

关键区别：

• MongoDB 是文档型数据库，无固定表结构
• MongoDB 使用 BSON 格式存储数据，支持嵌套文档
• MongoDB 没有表连接（JOIN）操作
• MongoDB 通常不支持多文档事务（4.0+版本开始支持）

1.4 典型应用场景

• 实时分析：快速处理和分析大量数据
• 内容管理系统：存储灵活的文档结构
• 移动应用后端：处理大量用户生成的内容
• 物联网数据存储：处理高吞吐量的传感器数据
• 缓存：作为传统数据库的缓存层

二、环境搭建

2.1 安装 MongoDB

Windows：

1. 下载 MongoDB 安装包
2. 运行安装程序
3. 创建数据目录：D:\Programs\MongoDB\data
4. 创建日志目录：D:\Programs\MongoDB\logs
5. 安装服务：

   mongod --install --dbpath D:\Programs\MongoDB\data --logpath D:\Programs\MongoDB\logs\mongoDB.log

Linux：

# Ubuntu/Debian
sudo apt-get install -y mongodb-org

# CentOS
sudo yum install -y mongodb-org

2.2 启动与连接

启动服务：

# Windows
net start MongoDB

# Linux
sudo systemctl start mongod

连接 MongoDB：

# 无认证连接
mongo

# 带认证连接
mongo -u username -p password --authenticationDatabase admin

# 连接特定数据库
mongo localhost:27017/database_name

三、核心概念

3.1 数据库（Database）

MongoDB 中的数据库类似于关系型数据库中的数据库，用于组织和隔离不同的应用数据。

常用操作：

// 查看所有数据库
show dbs

// 切换/创建数据库
use mydb

// 查看当前数据库
db

// 删除当前数据库
db.dropDatabase()

系统数据库：

• admin：根用户数据库，存储用户、角色权限等信息
• local：存储本地数据，不会被复制
• config：用于分片配置

3.2 集合（Collection）

集合是 MongoDB 中文档的容器，类似于关系型数据库中的表。

常用操作：

// 查看当前数据库中的集合
show collections

// 创建集合
db.createCollection("users")

// 删除集合
db.users.drop()

特点：

• 无需预先定义集合结构
• 集合名不能包含空字符和系统保留字符
• 集合名不能以"system."开头（系统集合）

3.3 文档（Document）

文档是 MongoDB 中的基本数据单元，以 BSON 格式存储。

文档特点：

• 键值对结构，类似 JSON 对象
• 键是字符串
• 值可以是多种数据类型
• 每个文档都有一个 _id 字段作为唯一标识

示例：

{
  "_id": ObjectId("507f1f77bcf86cd799439011"),
  "name": "John Doe",
  "age": 30,
  "email": "john@example.com",
  "address": {
    "street": "123 Main St",
    "city": "New York"
  },
  "hobbies": ["reading", "swimming"]
}

3.4 ObjectId

ObjectId 是 MongoDB 默认的文档 ID 生成策略，是一个 12 字节的 BSON 类型：

• 4 字节：时间戳
• 3 字节：机器标识码
• 2 字节：进程 ID
• 3 字节：计数器

特点：

• 保证全局唯一性
• 包含创建时间信息
• 按时间有序排列

四、基本操作

4.1 文档插入

// 插入单个文档
db.users.insertOne({
  name: "Alice",
  age: 25,
  email: "alice@example.com"
})

// 插入多个文档
db.users.insertMany([
  {name: "Bob", age: 30, email: "bob@example.com"},
  {name: "Charlie", age: 35, email: "charlie@example.com"}
])

4.2 文档查询

// 查询所有文档
db.users.find()

// 格式化输出
db.users.find().pretty()

// 条件查询
db.users.find({age: 30})  // age等于30
db.users.find({age: {$gt: 25}})  // age大于25
db.users.find({age: {$in: [25, 30]}})  // age在25或30中

// AND 条件
db.users.find({age: 30, name: "Bob"})

// OR 条件
db.users.find({
  $or: [{age: 25}, {name: "Charlie"}]
})

// 模糊查询
db.users.find({name: /li/})  // name包含"li"

4.3 文档更新

// 更新单个文档
db.users.updateOne(
  {name: "Alice"},
  {$set: {age: 26}}
)

// 更新多个文档
db.users.updateMany(
  {age: {$lt: 30}},
  {$inc: {age: 1}}  // age增加1
)

// 替换整个文档（保留_id）
db.users.replaceOne(
  {name: "Bob"},
  {name: "Robert", age: 31, email: "robert@example.com"}
)

// upsert：存在则更新，不存在则插入
db.users.updateOne(
  {name: "David"},
  {$set: {age: 28}},
  {upsert: true}
)

4.4 文档删除

// 删除单个文档
db.users.deleteOne({name: "Charlie"})

// 删除多个文档
db.users.deleteMany({age: {$lt: 30}})

// 删除所有文档（保留集合结构）
db.users.deleteMany({})

五、高级查询

5.1 排序与分页

// 排序（1升序，-1降序）
db.users.find().sort({age: 1, name: -1})

// 分页
db.users.find().skip(10).limit(10)  // 跳过10条，取10条

// 组合使用
db.users.find({age: {$gt: 25}})
  .sort({age: -1})
  .skip(0)
  .limit(5)

5.2 投影（字段选择）

// 只返回指定字段
db.users.find({}, {name: 1, email: 1})  // 1表示包含

// 排除_id字段
db.users.find({}, {_id: 0, name: 1, email: 1})

// 排除特定字段
db.users.find({}, {age: 0})  // 返回除age外的所有字段

5.3 数组操作

// 创建包含数组的文档
db.users.insertOne({
  name: "Eve",
  hobbies: ["reading", "swimming", "coding"]
})

// 查询数组包含特定值的文档
db.users.find({hobbies: "swimming"})

// 查询数组长度
db.users.find({hobbies: {$size: 3}})

// 数组元素更新
db.users.updateOne(
  {name: "Eve"},
  {$push: {hobbies: "traveling"}}  // 添加元素
)

db.users.updateOne(
  {name: "Eve"},
  {$pop: {hobbies: 1}}  // 移除最后一个元素
)

db.users.updateOne(
  {name: "Eve"},
  {$pull: {hobbies: "swimming"}}  // 移除特定元素
)

5.4 嵌套文档查询

// 创建嵌套文档
db.users.insertOne({
  name: "Frank",
  address: {
    street: "456 Oak St",
    city: "Boston",
    zip: "02108"
  }
})

// 查询嵌套字段
db.users.find({"address.city": "Boston"})

// 更新嵌套字段
db.users.updateOne(
  {name: "Frank"},
  {$set: {"address.zip": "02110"}}
)

六、聚合查询

6.1 聚合框架基础

聚合框架是 MongoDB 中强大的数据处理工具，类似于 SQL 中的 GROUP BY。

// 基本语法
db.collection.aggregate([
  { $stage1: { ... } },
  { $stage2: { ... } },
  ...
])

6.2 常用聚合操作符

// $match：过滤文档
db.users.aggregate([
  { $match: { age: { $gt: 25 } } }
])

// $group：分组统计
db.users.aggregate([
  { $group: {
    _id: "$age",
    count: { $sum: 1 },
    avgAge: { $avg: "$age" }
  }}
])

// $sort：排序
db.users.aggregate([
  { $sort: { age: -1 } }
])

// $project：重塑文档结构
db.users.aggregate([
  { $project: {
    name: 1,
    age: 1,
    status: { 
      $cond: { 
        if: { $gt: ["$age", 30] }, 
        then: "senior", 
        else: "junior" 
      }
    }
  }}
])

// $limit 和 $skip：分页
db.users.aggregate([
  { $skip: 10 },
  { $limit: 10 }
])

6.3 聚合实例

计算每个年龄段的人数：

db.users.aggregate([
  {
    $group: {
      _id: "$age",
      count: { $sum: 1 }
    }
  },
  {
    $sort: { _id: 1 }
  }
])

查找最受欢迎的爱好：

db.users.aggregate([
  { $unwind: "$hobbies" },
  {
    $group: {
      _id: "$hobbies",
      count: { $sum: 1 }
    }
  },
  {
    $sort: { count: -1 }
  },
  {
    $limit: 5
  }
])

七、索引

7.1 索引基础

索引可以显著提高查询性能，但会增加写操作的开销和存储空间。

常用索引类型：

• 单字段索引：在单个字段上创建的索引
• 复合索引：在多个字段上创建的索引
• 唯一索引：确保索引字段的值唯一
• 文本索引：支持文本搜索
• 地理空间索引：支持地理位置查询

7.2 索引操作

// 创建单字段索引
db.users.createIndex({name: 1})  // 1表示升序，-1表示降序

// 创建唯一索引
db.users.createIndex({email: 1}, {unique: true})

// 创建复合索引
db.users.createIndex({name: 1, age: -1})

// 创建文本索引
db.articles.createIndex({content: "text"})

// 查看集合索引
db.users.getIndexes()

// 查看索引大小
db.users.totalIndexSize()

// 删除索引
db.users.dropIndex("name_1")
db.users.dropIndexes()  // 删除所有索引

7.3 索引优化

1. 为常用查询条件创建索引

   // 如果经常按name和age查询
   db.users.createIndex({name: 1, age: -1})

2. 遵循左前缀原则

   // 复合索引 {a: 1, b: 1, c: 1}
   // 有效：a, a+b, a+b+c
   // 无效：b, c, b+c

3. 使用覆盖索引

   // 索引包含查询和返回的所有字段
   db.users.createIndex({name: 1, age: 1})
   db.users.find({name: "Alice"}, {name: 1, age: 1, _id: 0})

4. 分析查询性能

   // 使用explain分析查询
   db.users.find({name: "Alice"}).explain("executionStats")

八、安全与权限

8.1 用户管理

// 切换到admin数据库
use admin

// 创建管理员用户
db.createUser({
  user: "admin",
  pwd: "password123",
  roles: [{role: "root", db: "admin"}]
})

// 创建普通用户
use mydb
db.createUser({
  user: "user1",
  pwd: "password123",
  roles: [{role: "readWrite", db: "mydb"}]
})

// 修改密码
db.changeUserPassword("user1", "newpassword")

// 删除用户
db.dropUser("user1")

8.2 内置角色

角色类型	角色	说明
数据库用户角色	read	提供读取所有非系统集合上数据的能力
	readWrite	包含read所有权限及修改所有非系统集合上数据的能力
数据库管理角色	dbAdmin	提供执行管理任务的能力
	userAdmin	提供在当前数据库上创建和修改角色和用户的能力
	dbOwner	结合了readWrite、dbAdmin和userAdmin的权限
集群管理角色	clusterAdmin	提供最强大的集群管理访问
备份恢复角色	backup	提供备份权限
	restore	提供恢复权限
所有数据库角色	readAnyDatabase	读取所有数据库
	readWriteAnyDatabase	读写所有数据库

8.3 启用认证

1. 创建管理员用户（如上所示）

2. 修改配置文件（mongod.conf）：

   security:
     authorization: enabled

3. 重启 MongoDB 服务

4. 连接时认证：

   mongo -u admin -p password123 --authenticationDatabase admin

九、最佳实践

9.1 数据建模

1. 嵌入 vs 引用：

   • 关系紧密、一起读取的数据：使用嵌入文档
   • 关系松散、独立访问的数据：使用引用

2. 避免大文档：

   • 单个文档大小限制为 16MB
   • 大型数据考虑拆分或使用 GridFS

3. 合理设计_id：

   • 默认 ObjectId 通常足够
   • 可自定义_id提高查询效率

9.2 性能优化

1. 索引策略：

   • 为常用查询条件创建索引
   • 避免过多索引影响写性能
   • 定期分析慢查询

2. 查询优化：

   • 只查询需要的字段
   • 合理使用投影
   • 避免全集合扫描

3. 批量操作：

   // 批量插入
   db.users.insertMany([...])
   
   // 批量更新
   db.users.bulkWrite([...])

9.3 高可用与扩展

1. 副本集：

   • 至少3个节点（1主2从）
   • 自动故障转移
   • 数据冗余

2. 分片集群：

   • 适用于海量数据
   • 水平扩展
   • 需要配置分片键

3. 备份策略：

   • 定期使用 mongodump 备份
   • 结合 oplog 实现增量备份
   • 定期验证备份可用性

十、实用技巧

10.1 常用管理命令

// 查看数据库状态
db.stats()

// 查看集合状态
db.users.stats()

// 查看当前连接
db.currentOp()

// 杀死操作
db.killOp(opid)

// 修复数据库
db.repairDatabase()

// 查看帮助
db.help()
db.users.help()

10.2 数据导入导出

导出数据：

# 导出JSON
mongoexport --db mydb --collection users --out users.json

# 导出CSV
mongoexport --db mydb --collection users --type=csv --fields=name,age,email --out users.csv

导入数据：

# 导入JSON
mongoimport --db mydb --collection users --file users.json

# 导入CSV
mongoimport --db mydb --collection users --type=csv --headerline --file users.csv

备份整个数据库：

mongodump --db mydb --out backup/

恢复数据库：

mongorestore --db mydb backup/mydb/