MongoDB数据模型和索引学习总结

浏览数：14 / 时间：2015年06月12日

MongoDB数据模型和索引学习总结

1. MongoDB数据模型：

MongoDB数据存储结构：
MongoDB针对文档（大文件采用GridFS协议）采用BSON（binary json，采用二进制编码）数据格式来存储和交换数据。Bson吸收了JSON schema-less的特点，存储结构松散，不需要像RDB（关系数据）那样事先定义数据存储的元数据结构，另外增加了多种数据类型的支持和优化，使读写更加高效。
(1) BSON 支持的数据类型：
```
Double、String、Object、Array、Binary Data、Undefined、Object id、Boolean、Date、Null、Regular Expression、JavaScript、Symbol、JavaScript（with scope）、32-bit integer、Timestamp、64-bitInteger、Min key、Max key
```
(2) BSON 在表现形式如下：
```
{ "_id" : ObjectId("542c2b97bac0595474108b48"), "ts" : Timestamp(1412180887, 1)，"name":"steven"}
```
(3) BSON 是MongoDB中的通信协议和数据存储格式：在MongoDB中客户端和服务端通信采用的是BSON的文档格式，例如查询一段数据，需要这样写：
```
db.steven.find({"name":"steven"})
```
更新一段数据需要这样写：
```
db.steven.update({"name":"steven"},{$set:{"name":"jianying"}})
```
删除一段数据需要这样写：
```
db.steven.remove({"name":"steven"})
```
总之MongoDB中针对文档的CRUD的RPC通信格式均支持采用了BSON的数据格式。并且其存储格式也采用了BSON的格式类似：
```
{ "_id" : ObjectId("542c2b97bac0595474108b48"), "ts" : Timestamp(1412180887, 1)，"name":"steven"}
```
(4) BSON数据格式的编码：
BSON的String类型均采用UTF-8编码，其中KV结构中 K值和字符串类型的V值，均采用UTF-8格式编码。如果使用的是其他格式则需要转码。并且针对K 值可以采用除以下要求外的任意UTF-8字符：
```
a.键不能含有\o(空字符)
b.$和.有特殊的含义，只有在特定环境下采用使用
c.以下划线"_"开头的键是保留的（不是严格要求的）
```
而其它值类型的编码则按照具体数据类型的内置协议编码。MongoDB在数据模型的组织方式上，支持文档的引用和嵌套。具体介绍如下。
数据模型设计模式 - 引用和嵌套：
以引用的方式存储数据是一种MongoDB组织数据存储结构的模式，即一个文档中存储了检索另一个文档需要的必要信息，举例如下：
```
{
   _id: "joe",
   name: "Joe Bookreader"
}

{
   patron_id: "joe",
   street: "123 Fake Street",
   city: "Faketon",
   state: "MA",
   zip: "12345"
}
```
上面的文档是用户joe的信息，而下面那个文档则记录了他的地址信息，要根据joe的name检索地址信息，则需要先检索第一个文档，然后再检索第二个文档。而设计成嵌套模式则表现为：
```
{
   _id: "joe",
   name: "Joe Bookreader",
   addresses: [
                {
                  street: "123 Fake Street",
                  city: "Faketon",
                  state: "MA",
                  zip: "12345"
                }
              ]
 }
```
这两种设计模式的均有各自的优缺点，引用模式被认为是规范化的模式，减小了数据存储的冗余，结构设计清爽简单。符合我们一般设计原则，但是要获取完整数据的通信开销比较大，而且多个文档操作的原子性在MongoDB层面无法保证。而被认为非规范化的嵌套设计模式，则具备相反的特性，其有点是减少了通讯的成本，并且原子性在单条文档得以保证，缺点就是数据存在冗余。选择哪种数据组织方式其实是一种权衡（trade-off）。
注意点：
(1) MongoDB 文档的大小必须小于16M，超过这个大小的话，要考虑使用GirdFs。
(2) 加入的文档大小超出原先分配给它的空间，MongoDB会把这个文档移动到磁盘的另外一个位置。迁移文档比原位更新更要耗时，也会因此导致磁盘碎片问题。
(3) 在MongoDB里面，操作的原子性级别保证到 document级别。
(4) Bson 字符串采用UTF-8编码。

2. MongoDB索引结构：

MongoDB支持索引的类型:
MongoDB采用B树的结构来组织索引（有效的支持等值查询和范围查询），支持针对文档中任意字段构建索引，不论是单值、数组、文本、嵌套结构的字段，均可构建索引。MongoDB 针对BSON存储格式是一种全索引的支持策略。面对多而强大的Mongo索引，索引的设计对性能的提升有比较大的影响。目前最新MongoV3.0版本支持的索引类型有如下几种：

索引类型           简述   
Default _id       默认ID索引：Mongo默认构建唯一性索引的id字段，每个文档都有一个_id字段。
Single Field      单值索引：针对文档的某一字段或或嵌套文档的某一字段构建索引。
Compound Index    组合索引：将多个字段放在一起构建索引，字段索引间组成上下层的树形结构。
Multikey Index    多值索引：针对数组类型的索引结构，为数组的每个值建立一个索引。
Geospatial Index  地理位置索引： 针对地理坐标结构，构建索引，能高效定位坐标范围，属额外福利。
Text indexes      文本索引：类似搜索引擎的文本检索，涉及到分词操作，可惜不支持中文，而且查询语法的支持相对单一。
Hashed Indexes    哈希索引：为了支持 基于Hash的Sharding（一种部署方式）而生，只支持等值检索，不支持范围检索。

以上介绍了索引的类型，而不同类型的索引又可以带有以下属性,间接如下：

索引的属性：

(1) 唯一索引：和RDB（关系型数据库）的唯一性索引的概念一致，为了避免出现重复的值而设计。
构建方式如：

    db.members.createIndex( { "user_id": 1 }, { unique: true } )

(2) 稀疏索引：稀疏索引的稀疏性体现在，其只为那些包含索引字段的文档构建索引Entry。忽略那些不包含索引字段的文档。
构建方式如：

    db.addresses.createIndex( { "xmpp_id": 1 }, { sparse: true } )

(3) TTL索引： TTL顾名思义是生命周期的意思，即存储的document存储带有过期时间属性，超过生命周期自动删除，像日志数据、系统自动产生的临时数据、会话数据等均符合这一场景。
构建方式如：

    db.log_events.createIndex( { "createdAt": 1 }, { expireAfterSeconds: 3600 } )

索引结构和特性：

(1) B树结构，顺序存储：MongoDB的索引均采用B树的结构组织，支持高效的等值查询和范围查询。且内部索引项（entry）是默认有序的，可以天然保证返回结果有序。
(2) 索引的排序：构建索引是可以指定索引项是按照升序或降序构建，升序或降序的选择对于单值索引来说是等效的，但是对于组合索引则不等学效，组合索引被组织成上下级的树形结构，升序或降序选择错误，会对性能产生较大影响。
(3) 索引的交集：2.6版本以后，索引的查询优化策略支持索引的交集，可以将多条索引组合来使用，最高效的检索数据。例如可以构建两条单独的索引，当查询条件关联到这两条索引的时候，索引优化计划会自动组合这两条索引来检索。
例如构建了如下2条索引：

{ qty: 1 }
{ item: 1 }

则以下查询语句会命中以上两条索引：

db.orders.find( { item: "abc123", qty: { $gt: 15 } } )

另外索引的交集和包括：

索引的前缀交集：主要针对组合索引，查询计划会优化组合索引的前缀来查询。

索引分析方法：

(1) 评估RAM容量，尽量保证索引在内存中：
查询索引大小的命令（单位是字节）：

db.collection.totalIndexSize() 
db.collection.stats()

(2) 分析查看索引的计划：

MongoDB中使用explain和hint可以查看索引的策略：

db.collection.find().explain()

可以看出那条索引策略生效，以及索引交集的使用情况。

db.collection.find().hint({"name":1})

hint的命令则可以指定强制使用某条索引。

(3) 索引的管理信息: 每个DB下面都会有一个system.indexes集合，这个集合记录着DB下，索引构建的元数据信息。

db.system.indexes.find()

注意点：
(1) 每个索引需要至少8K的空间。
(2) MongoDB 会对 _id字段自动创建唯一索引。
(3) 一个特别的索引类型支撑了TTL集合的实现，TTL依赖一个在Mongod中的后台线程，该线程读取索引中日期类型的值并从集合中删除过期的documents。

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