MongoDB的基本特性與內(nèi)部構(gòu)造的講解

MongoDB是一個(gè)介于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)之間的產(chǎn)品，是非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中功能最豐富，最像關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的。他支持的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常松散，是類(lèi)似json的bjson格式，因此可以存儲(chǔ)比較復(fù)雜的數(shù)據(jù)類(lèi)型。Mongo最大的特點(diǎn)是他支持的查詢(xún)語(yǔ)言非常強(qiáng)大，其語(yǔ)法有點(diǎn)類(lèi)似于面向?qū)ο蟮牟樵?xún)語(yǔ)言，幾乎可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)單表查詢(xún)的絕大部分功能，而且還支持對(duì)數(shù)據(jù)建立索引。

對(duì)于大多數(shù)的MongoDB的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，MongoDB就像是一個(gè)大黑盒。但是如果你能夠了解到MongoDB一些內(nèi)部構(gòu)造的話，將有利于你更好地理解和使用MongoDB。

BSON

在MongoDB中，文檔是對(duì)數(shù)據(jù)的抽象，它被使用在Client端和Server端的交互中。所有的Client端（各種語(yǔ)言的Driver）都會(huì)使用這種抽象，它的表現(xiàn)形式就是我們常說(shuō)的BSON（Binary JSON）。

BSON 是一個(gè)輕量級(jí)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式。MongoDB能夠使用BSON，并將BSON作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)存放在磁盤(pán)中。

當(dāng)Client端要將寫(xiě)入文檔，使用查詢(xún)等操作時(shí)，需要將文檔編碼為BSON格式，然后再發(fā)送給Server端。同樣，Server端的返回結(jié)果也是編碼為BSON格式再返回給Client端的。

使用BSON格式出于以下3種目的：

效率。BSON是為效率而設(shè)計(jì)的，它只需要使用很少的空間。即使在最壞的情況下，BSON格式也比JSON格式在最好的情況下存儲(chǔ)效率高。
傳輸性。在某些情況下，BSON會(huì)犧牲額外的空間讓數(shù)據(jù)的傳輸更加方便。比如，字符串的傳輸?shù)那熬Y會(huì)標(biāo)識(shí)字符串的長(zhǎng)度，而不是在字符串的末尾打上結(jié)束的標(biāo)記。這樣的傳輸形式有利于MongoDB修改傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
性能。最后，BSON格式的編碼和解碼都是非?？焖俚摹Ｋ褂昧薈風(fēng)格的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式，這樣在各種語(yǔ)言中都可以高效地使用。

寫(xiě)入?yún)f(xié)議

Client端訪問(wèn)Server端使用了輕量級(jí)的TCP/IP寫(xiě)入?yún)f(xié)議。這種協(xié)議在MongoDB Wiki中有詳細(xì)介紹，它其實(shí)是在BSON數(shù)據(jù)上面做了一層簡(jiǎn)單的包裝。比如說(shuō)，寫(xiě)入數(shù)據(jù)的命令中包含了1個(gè)20字節(jié)的消息頭（由消息的長(zhǎng)度和寫(xiě)入命令標(biāo)識(shí)組成），需要寫(xiě)入的Collection名稱(chēng)和需要寫(xiě)入的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)文件

在MongoDB的數(shù)據(jù)文件夾中（默認(rèn)路徑是/data/db）由構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)的所有文件。每一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都包含一個(gè).ns文件和一些數(shù)據(jù)文件，其中數(shù)據(jù)文件會(huì)隨著數(shù)據(jù)量的增加而變多。所以如果有一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)名字叫做foo，那么構(gòu)成foo這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的文件就會(huì)由foo.ns，foo.0，foo.1，foo.2等等組成。

數(shù)據(jù)文件每新增一次，大小都會(huì)是上一個(gè)數(shù)據(jù)文件的2倍，每個(gè)數(shù)據(jù)文件最大2G。這樣的設(shè)計(jì)有利于防止數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)庫(kù)浪費(fèi)過(guò)多的空間，同時(shí)又能保證數(shù)據(jù)量較大的數(shù)據(jù)庫(kù)有相應(yīng)的空間使用。

MongoDB會(huì)使用預(yù)分配方式來(lái)保證寫(xiě)入性能的穩(wěn)定（這種方式可以使用–noprealloc關(guān)閉）。預(yù)分配在后臺(tái)進(jìn)行，并且每個(gè)預(yù)分配的文件都用0進(jìn)行填充。這會(huì)讓MongoDB始終保持額外的空間和空余的數(shù)據(jù)文件，從而避免了數(shù)據(jù)增長(zhǎng)過(guò)快而帶來(lái)的分配磁盤(pán)空間引起的阻塞。

名字空間和盤(pán)區(qū)

每一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)都由多個(gè)名字空間組成，每一個(gè)名字空間存儲(chǔ)了相應(yīng)類(lèi)型的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一個(gè)Collection都有各自對(duì)應(yīng)的名字空間，索引文件同樣也有名字空間。所有名字空間的元數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在.ns文件中。

名字空間中的數(shù)據(jù)在磁盤(pán)中分為多個(gè)區(qū)間，這個(gè)叫做盤(pán)區(qū)。在下圖中，foo這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)包含3個(gè)數(shù)據(jù)文件，第三個(gè)數(shù)據(jù)文件屬于空的預(yù)分配文件。頭兩個(gè)數(shù)據(jù)文件被分為了相應(yīng)的盤(pán)區(qū)對(duì)應(yīng)不同的名字空間。

上圖顯示了名字空間和盤(pán)區(qū)的相關(guān)特點(diǎn)。每一個(gè)名字空間可以包含多個(gè)不同的盤(pán)區(qū)，這些盤(pán)區(qū)并不是連續(xù)的。與數(shù)據(jù)文件的增長(zhǎng)相同，每一個(gè)名字空間對(duì)應(yīng)的盤(pán)區(qū)大小的也是隨著分配的次數(shù)不斷增長(zhǎng)的。這樣做的目的是為了平衡名字空間浪費(fèi)的空間與保持某一個(gè)名字空間中數(shù)據(jù)的連續(xù)性。上圖中還有一個(gè)需要注意的名字空間：$freelist，這個(gè)名字空間用于記錄不再使用的盤(pán)區(qū)（被刪除的Collection或索引）。每當(dāng)名字空間需要分配新的盤(pán)區(qū)的時(shí)候，都會(huì)先查看$freelist是否有大小合適的盤(pán)區(qū)可以使用。

內(nèi)存映射存儲(chǔ)引擎

MongoDB目前支持的存儲(chǔ)引擎為內(nèi)存映射引擎。當(dāng)MongoDB啟動(dòng)的時(shí)候，會(huì)將所有的數(shù)據(jù)文件映射到內(nèi)存中，然后操作系統(tǒng)會(huì)托管所有的磁盤(pán)操作。這種存儲(chǔ)引擎有以下幾種特點(diǎn)：

• MongoDB中關(guān)于內(nèi)存管理的代碼非常精簡(jiǎn)，畢竟相關(guān)的工作已經(jīng)有操作系統(tǒng)進(jìn)行托管。
• MongoDB服務(wù)器使用的虛擬內(nèi)存將非常巨大，并將超過(guò)整個(gè)數(shù)據(jù)文件的大小。不用擔(dān)心，操作系統(tǒng)會(huì)去處理這一切。要注意的是，MongoDB自己是不管理內(nèi)存的，無(wú)法指定內(nèi)存大小，完全交給操作系統(tǒng)來(lái)管理，因此有時(shí)候是不可控的，在生產(chǎn)環(huán)境使用必須在OS層面監(jiān)控內(nèi)存使用情況。
• MongoDB無(wú)法控制數(shù)據(jù)寫(xiě)入磁盤(pán)的順序，這樣將導(dǎo)致MongoDB無(wú)法實(shí)現(xiàn)writeahead日志的特性。所以，如果MongoDB希望提供一種durability的特性，需要實(shí)現(xiàn)另外一種存儲(chǔ)引擎。
• 32位系統(tǒng)的MongoDB服務(wù)器每一個(gè)Mongod實(shí)例只能使用2G的數(shù)據(jù)文件。這是由于地址指針只能支持32位。

特性

它的特點(diǎn)是高性能、易部署、易使用，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)非常方便。主要功能特性有：

• 面向集合存儲(chǔ)，易存儲(chǔ)對(duì)象類(lèi)型的數(shù)據(jù)。
• 模式自由。
• 支持動(dòng)態(tài)查詢(xún)。
• 支持完全索引，包含內(nèi)部對(duì)象。
• 支持查詢(xún)。
• 支持復(fù)制和故障恢復(fù)。
• 使用高效的二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，包括大型對(duì)象（如視頻等）。
• 自動(dòng)處理碎片，以支持云計(jì)算層次的擴(kuò)展性
• 支持RUBY，PYTHON，JAVA，C++，PHP等多種語(yǔ)言。
• 文件存儲(chǔ)格式為BSON（一種JSON的擴(kuò)展）
• 可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)

所謂“面向集合”（Collenction-Orented），意思是數(shù)據(jù)被分組存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)集中，被稱(chēng)為一個(gè)集合（Collenction)。每個(gè) 集合在數(shù)據(jù)庫(kù)中都有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)名，并且可以包含無(wú)限數(shù)目的文檔。集合的概念類(lèi)似關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)（RDBMS）里的表（table），不同的是它不需要定 義任何模式（schema)。

模式自由（schema-free)，意味著對(duì)于存儲(chǔ)在mongodb數(shù)據(jù)庫(kù)中的文件，我們不需要知道它的任何結(jié)構(gòu)定義。如果需要的話，你完全可以把不同結(jié)構(gòu)的文件存儲(chǔ)在同一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)里。

存儲(chǔ)在集合中的文檔，被存儲(chǔ)為鍵-值對(duì)的形式。鍵用于唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)文檔，為字符串類(lèi)型，而值則可以是各中復(fù)雜的文件類(lèi)型。我們稱(chēng)這種存儲(chǔ)形式為BSON（Binary Serialized dOcument Format）。

其它

在《MongoDB The Definitive Guide》中介紹的MongoDB內(nèi)部構(gòu)造只有這么多，如果真要把它說(shuō)清楚，可能需要另外一本書(shū)來(lái)專(zhuān)門(mén)講述了。比如內(nèi)部的JS解析，查詢(xún)的優(yōu)化，索引的建立等等。

總結(jié)

以上就是這篇文章的全部?jī)?nèi)容了，希望本文的內(nèi)容對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值，謝謝大家對(duì)腳本之家的支持。如果你想了解更多相關(guān)內(nèi)容請(qǐng)查看下面相關(guān)鏈接