MongoDB 数据库应用

文档导向的存储：MongoDB 是一个面向文档的数据库，它以JSON-like 的格式存储数据，使得数据结构更加灵活和丰富。

索引优化查询：MongoDB 允许用户为文档中的任意属性创建索引，例如FirstName 和 Address，从而提高查询效率和排序性能。

数据镜像与扩展性：通过本地或网络创建数据的副本，MongoDB 实现了强大的数据冗余和扩展能力。

水平扩展与分片：面对增加的负载，MongoDB 可以通过分片技术将数据分布到计算机网络中的其他节点上，实现水平扩展。

强大的查询语言：MongoDB使用JSON 格式的查询语法，支持复杂的查询表达式，包括对内嵌对象和数组的查询。

数据更新：利用命令update()，MongoDB 能够替换整个文档或更新指定的数据字段,提供了灵活的数据更新方式。

MapReduce 批量处理：MongoDB的 MapReduce 功能专为大规模数据处理和聚合操作设计，通过 Map 函数的 emit(key，value)调用和 Reduce 函数的逻辑处理，实现高效的数据汇总。

MapReduce 脚本编写：Map 和 Reduce 函数使用 JavaScript 编写，可以通过 db.runCommand或mapreduce命令在 MongoDB 中执行。

GridFs 大文件存储：GridFs是 MongoDB 内置的功能，用于存储和检索大于 BSON 文档大小限制的文件，如图片和视频。

服务端脚本执行：MongoDB 允许在服务端执行 JavaScript 脚本，提供了直接在服务端执行或存储函数定义以供后续调用的能力。

多语言支持：MongoDB 提供了对多种编程语言的支持，包括但不限于RUBY、PYTHON、JAVA、C++、PHP 和C#。

2、MongoDB 概念解析

SQL 术语	MongoDB 术语	说明
数据库（Database）	数据库（Database）	存储数据的容器
表（Table）	集合（Collection）	文档的容器，无固定模式
行（Row）	文档（Document）	数据记录，以 BSON 格式存储
列（Column）	字段（Field）	文档中的键值对
索引（Index）	索引（Index）	优化查询性能的数据结构
表连接（Join）	不支持	通过嵌入文档或反规范化处理关联数据
主键（Primary Key）	_id 字段	自动生成的唯一标识符

通过下图实例，我们也可以更直观的了解 Mongo 中的一些概念：

3、完整术语列表

文档(Document)：MongoDB 的基本数据单元，通常是一个JSON-like 的结构，可以包含多种数据类型。

集合(Collection)：类似于关系型数据库中的表，集合是一组文档的容器。在 MongoDB中，一个集合中的文档不需要有一个固定的模式。

数据库(Database)：包含一个或多个集合的MongoDB 实例。

BSON：BinaryJSON的缩写，是MongoDB用来存储和传输文档的二进制形式的JSON。

索引(Index)：用于优化查询性能的数据结构，可以基于集合中的一个或多个字段创建索引。

分片(Sharding)：一种分布数据到多个服务器(称为分片)的方法，用于处理大数据集和高吞吐量应用。

副本集(Replica Set)：一组维护相同数据集的 MongoDB 服务器，提供数据的冗余备份和高可用性。

主节点(Primary)：副本集中负责处理所有写入操作的服务器。

从节点(Secondary)：副本集中的服务器，用于读取数据和在主节点故障时接管为主节点。

MongoDB Shell：MongoDB 提供的命令行界面，用于与 MongoDB 实例交互。

聚合框架(Aggregation Framework)：用于执行复杂的数据处理和聚合操作的一系列操作。

Map-Reduce：一种编程模型，用于处理大量数据集的并行计算。

GridFs：用于存储和检索大于 BSON 文档大小限制的文件的规范。

ObjectId：MongoDB 为每个文档自动生成的唯一标识符。

CRUD 操作：创建(Create)、读取(Read)、更新(Update)、删除(Delete)操作。

事务(Transactions)：从 MongoDB 4.0 开始支持，允许一组操作作为一个原子单元执行。

操作符(Operators)：用于查询和更新文档的特殊字段。

连接(Join)：MongoDB 允许在查询中使用 $lookup 操作符来实现类似 SQL 的连接操作。

TTL(Time-To-Live)：可以为集合中的某些字段设置 TTL，以自动删除旧数据。

存储引擎(Storage Engine)：MongoDB 用于数据存储和管理的底层技术，如WiredTiger和 MongoDB 的旧存储引擎 MMAPv1。

MongoDB Compass：MongoDB 的图形界面工具，用于可视化和管理 MongoDB 数据。

MongoDB Atlas：MongoDB 提供的云服务，允许在云中托管 MongoDB 数据库。

二、MongoDB 安装与环境配置（Linux 版）

1、系统要求与依赖安装

硬件要求
- 64 位操作系统（推荐 Linux，如 RHEL、Ubuntu）
- 至少 2GB 内存（生产环境建议 8GB+）
- 充足的磁盘空间（根据数据量规划）
依赖包安装

在 RHEL/CentOS 系统中，需先安装依赖库：
复制代码
```
dnf install libcurl openssl -y
```

2、安装步骤

下载安装包

从 MongoDB 官网下载对应版本的压缩包（以 8.0.8 为例）：
复制代码
```
wget https://fastdl.mongodb.org/linux/mongodb-linux-x86_64-rhel8-8.0.8.tgz
```

解压与移动

复制代码

tar zxvf mongodb-linux-x86_64-rhel8-8.0.8.tgz
mv mongodb-linux-x86_64-rhel8-8.0.8 /usr/local/mongodb

配置环境变量

将 MongoDB 的 bin 目录添加到系统路径：

复制代码

echo 'export PATH=/usr/local/mongodb/bin:$PATH' >> /etc/profile
source /etc/profile

3、初始化目录与权限设置

创建数据与日志目录

复制代码

mkdir -p /var/lib/mongo
mkdir -p /var/log/mongodb

设置权限

复制代码

chown -R $(whoami) /var/lib/mongo
chown -R $(whoami) /var/log/mongodb

4、编译安装 OpenSSL 1.1（可选）

若系统默认 OpenSSL 版本低于 1.1，需手动编译安装：

复制代码

dnf install -y gcc make perl
wget https://www.openssl.org/source/openssl-1.1.1w.tar.gz
tar xzf openssl-1.1.1w.tar.gz
cd openssl-1.1.1w
./config --prefix=/opt/openssl11 --openssldir=/opt/openssl/ssl
make -j$(nproc)
make install

设置环境变量：

复制代码

echo 'export LD_LIBRARY_PATH=/opt/openssl11/lib:$LD_LIBRARY_PATH' | tee /etc/profile.d/openssl11.sh
source /etc/profile.d/openssl11.sh

5、启动服务

前台启动（调试用）

复制代码

mongod --dbpath /var/lib/mongo --logpath /var/log/mongodb/mongod.log

后台启动（生产环境）
复制代码
```
mongod --dbpath /var/lib/mongo --logpath /var/log/mongodb/mongod.log --fork
```
启动成功后，日志会显示 child process started successfully。

三、MongoDB Shell 深度使用

1、Shell 安装与配置

下载与解压

复制代码

wget https://downloads.mongodb.com/compass/mongosh-2.5.0-linux-x64-openssl3.tgz
tar xzf mongosh-2.5.0-linux-x64-openssl3.tgz
cd mongosh-2.5.0-linux-x64-openssl3/bin

复制到系统路径

复制代码

cp mongosh /usr/local/bin/
cp mongosh_crypt_v1.so /usr/local/lib/

2、连接与验证

默认连接本地数据库
复制代码
```
mongosh
```
成功连接后显示 test> 提示符，伴随启动警告（可忽略，生产环境需处理）。

指定主机与端口连接

复制代码

mongosh --host 192.168.1.100 --port 27017

3、常用操作命令

命令	说明
`show dbs`	查看所有数据库
`db`	查看当前数据库
`use <dbname>`	切换或创建数据库
`show collections`	查看当前库集合
`exit`	退出 Shell

四、数据库与集合管理

1、数据库操作

创建数据库

使用 use <dbname> 命令，若数据库不存在则自动创建，但需插入数据后才会显示在列表中：
复制代码
```
use runoob
db.runoob.insertOne({ name: "zhangsan" })
```
删除数据库
复制代码
```
use mydb
db.dropDatabase()
```
系统内置数据库
- admin：存储用户权限和全局配置，认证后可执行跨库操作。
- config：分片集群元数据存储，记录分片信息和块分布。
- local：存储本地节点数据（如副本集状态、操作日志），不参与复制。

2、集合操作

创建集合

显式创建集合并指定选项（如固定大小、验证规则）：

复制代码

db.createCollection("users", {
  capped: true,
  size: 10485760, // 10MB
  max: 5000,
  validator: {
    $jsonSchema: {
      bsonType: "object",
      required: ["name", "email"],
      properties: {
        name: { bsonType: "string" },
        email: { bsonType: "string", pattern: ".+@.+" }
      }
    }
  },
  validationLevel: "strict"
})

重命名集合

使用 renameCollection 命令，支持跨数据库重命名：

复制代码

db.adminCommand({
  renameCollection: "test.old_users",
  to: "production.new_users",
  dropTarget: true // 若目标存在则删除
})

删除集合

复制代码

db.users.drop() // 永久删除，不可恢复

五、文档操作核心指南

1、插入文档

insertOne() ：插入单个文档，返回 insertedId：

复制代码

db.users.insertOne({
  name: "Alice",
  age: 25,
  city: "New York"
})

insertMany() ：插入多个文档，返回数组形式的 insertedId：

复制代码

db.users.insertMany([
  { name: "Bob", age: 30, city: "Los Angeles" },
  { name: "Charlie", age: 35, city: "Chicago" }
])

2、查询文档

find () 方法
- 查询所有文档：db.users.find()
- 条件查询：db.users.find({ age: { $gt: 30 } })
- 投影控制返回字段：db.users.find({ age: { $gt: 25 } }, { name: 1, age: 1, _id: 0 })
- 格式化输出：db.users.find().pretty()
findOne () 方法：返回单个匹配文档（首个）：
复制代码
```
db.users.findOne({ name: "Alice" })
```

3、更新文档

updateOne()：更新单个匹配文档：

复制代码

db.users.updateOne(
  { name: "Alice" },
  { $set: { age: 26, city: "Boston" } },
  { upsert: true } // 若不存在则插入新文档
)

updateMany()：更新所有匹配文档：

复制代码

db.users.updateMany(
  { age: { $lt: 30 } },
  { $set: { status: "active" } }
)

replaceOne()：完全替换单个文档：

复制代码

db.users.replaceOne(
  { name: "Bob" },
  { name: "Bob", age: 31, city: "San Francisco", status: "inactive" }
)

4、删除文档

deleteOne()：删除单个匹配文档：
复制代码
```
db.users.deleteOne({ name: "Alice" })
```
deleteMany()：删除所有匹配文档：
复制代码
```
db.users.deleteMany({ status: "inactive" })
```
findOneAndDelete()：查找并删除单个文档，返回删除的文档：
复制代码
```
const deletedDoc = db.users.findOneAndDelete({ name: "Charlie" })
```

六、数据备份与恢复（mongodump/mongorestore）

1、安装备份工具

复制代码

rpm -ivh mongodb-database-tools-rhel70-x86_64-100.12.0.rpm

2、数据备份

备份所有数据库
复制代码
```
mongodump --out /data/backup
```
备份文件存储在 /data/backup 目录，每个数据库对应一个子目录。

备份指定数据库

复制代码

mongodump -d test --out /data/backup/test_db

备份指定集合

复制代码

mongodump -d test -c users --out /data/backup/test_users

3、数据恢复

恢复所有数据库
复制代码
```
mongorestore --dir /data/backup
```

恢复指定数据库到新库

复制代码

mongorestore -d new_test --dir /data/backup/test

恢复时删除现有数据

复制代码

mongorestore --drop --dir /data/backup/test

七、用户管理与权限控制

1、用户角色体系

MongoDB 的权限系统基于角色（Role）和数据库（Database），核心角色分类：

数据库用户角色 ：read、readWrite
数据库管理角色 ：dbAdmin、dbOwner、userAdmin
集群管理角色 ：clusterAdmin、clusterManager、clusterMonitor
超级用户角色 ：root（包含所有权限）

2、用户操作指南

创建用户

在 testdb 数据库创建具有读写权限的用户：

复制代码

use testdb
db.createUser({
  user: "app_user",
  pwd: "secure_password",
  roles: [{ role: "readWrite", db: "testdb" }]
})

认证用户

复制代码

db.auth("app_user", "secure_password") // 返回 1 表示认证成功

启用身份验证

编辑配置文件 /etc/mongod.conf，添加：
复制代码
```
security:
  authorization: "enabled"
```
重启服务使配置生效：
复制代码
```
systemctl restart mongod
```
删除用户
复制代码
```
use testdb
db.dropUser("app_user")
```