1、MongoDB逻辑结构

        MongoDB 与 MySQL 中的架构相差不多,底层都使用了可插拔的存储引擎以满足用户的不同需要。用户可以根据程序的数据特征选择不同的存储引擎,在最新版本的 MongoDB 中使用了 WiredTiger 作为默认的存储引擎,WiredTiger 提供了不同粒度的并发控制和压缩机制,能够为不同种类的应用提供了最好的性能和存储率。 

        在存储引擎上层的就是 MongoDB 的数据模型和查询语言了,由于 MongoDB 对数据的存储与 RDBMS有较大的差异,所以它创建了一套不同的数据模型和查询语言。

2、MongoDB的数据模型

(1)描述数据模型

内嵌:

        内嵌的方式指的是把相关联的数据保存在同一个文档结构之中。MongoDB的文档结构允许一个字段或者一个数组内的值作为一个嵌套的文档。

引用:

        引用方式通过存储数据引用信息来实现两个不同文档之间的关联,应用程序可以通过解析这些数据引用来访问相关数据。

(2)如何选择数据模型

选择内嵌:

  1. 数据对象之间有包含关系 ,一般是数据对象之间有一对多或者一对一的关系 。
  2. 需要经常一起读取的数据。
  3. 有 map-reduce/aggregation 需求的数据放在一起,这些操作都只能操作单个 collection。

选择引用:

  1. 当内嵌数据会导致很多数据的重复,并且读性能的优势又不足于覆盖数据重复的弊端 。
  2. 需要表达比较复杂的多对多关系的时候 。
  3. 大型层次结果数据集 嵌套不要太深。

3、MongoDB 存储引擎

(1)存储引擎概述

        存储引擎是MongoDB的核心组件,负责管理数据如何存储在硬盘和内存上。MongoDB支持的存储引擎有MMAPv1 ,WiredTiger和InMemory。InMemory存储引擎用于将数据只存储在内存中,只将少量的元数据(meta-data)和诊断日志(Diagnostic)存储到硬盘文件中,由于不需要Disk的IO操作,就能获取所需的数据,InMemory存储引擎大幅度降低了数据查询的延迟(Latency)。从mongodb3.2开始默认的存储引擎是WiredTiger,3.2版本之前的默认存储引擎是MMAPv1,mongodb4.x版本不再支持MMAPv1存储引擎

storage:
        journal:
                enabled: true
        dbPath: /data/mongo/
        ## 是否一个库一个文件夹
        directoryPerDB: true
        ## 数据引擎
        engine: wiredTiger
        ## WT引擎配置
        WiredTiger:
                engineConfig:
                        ## WT最大使用cache(根据服务器实际情况调节)
                        cacheSizeGB: 2

                        ## 是否将索引也按数据库名单独存储
                        directoryForIndexes: true
                        journalCompressor:none (默认snappy)
                ## 表压缩配置
                collectionConfig:
                        blockCompressor: zlib (默认snappy,还可选none、zlib)
                ## 索引配置
                indexConfig:
                        prefixCompression: true

(2)WiredTiger存储引擎优势

  1. 文档空间分配方式:WiredTiger使用的是BTree存储 MMAPV1 线性存储 需要Padding
  2. 并发级别:WiredTiger 文档级别锁 MMAPV1引擎使用表级锁
  3. 数据压缩:snappy (默认) 和 zlib ,相比MMAPV1(无压缩) 空间节省数倍。
  4. 内存使用:WiredTiger 可以指定内存的使用大小。
  5. Cache使用:WT引擎使用了二阶缓存WiredTiger Cache, File System Cache来保证Disk上的数据的最终一致性。而MMAPv1 只有journal 日志。

(3)WiredTiger引擎包含的文件和作用

  • WiredTiger.basecfg: 存储基本配置信息,与 ConfigServer有关系
  • WiredTiger.lock: 定义锁操作
  • table*.wt: 存储各张表的数据
  • WiredTiger.wt: 存储table* 的元数据
  • WiredTiger.turtle: 存储WiredTiger.wt的元数据
  • journal: 存储WAL(Write Ahead Log) 

(4)WiredTiger存储引擎实现原理

写请求

        WiredTiger的写操作会默认写入Cache ,并持久化到WAL (Write Ahead Log),每60s或Log文件达到2G做一次checkpoint (当然我们也可以通过在写入时传入 j: true 的参数强制 journal 文件的同步 ,writeConcern{ w: <value>, j:<boolean , wtimeout:<number> }) 产生快照文件。WiredTiger初始化时,恢复至最新的快照状态,然后再根据WAL恢复数据,保证数据的完整性。

        Cache是基于BTree的,节点是一个page,root page是根节点,internal page是中间索引节点,leaf page真正存储数据,数据以page为单位读写。WiredTiger采用Copy on write的方式管理写操作(insert、update、delete),写操作会先缓存在cache里,持久化时,写操作不会在原来的leaf page上进行,而是写入新分配的page,每次checkpoint都会产生一个新的root page。 

checkpoint流程

  1. 对所有的table进行一次checkpoint,每个table的checkpoint的元数据更新至WiredTiger.wt
  2. 对WiredTiger.wt进行checkpoint,将该table checkpoint的元数据更新至临时文件iredTiger.turtle.set
  3. 将WiredTiger.turtle.set重命名为WiredTiger.turtle。
  4. 上述过程如果中间失败,WiredTiger在下次连接初始化时,首先将数据恢复至最新的快照状态,然后根据WAL恢复数据,以保证存储可靠性。

Journaling

        在数据库宕机时 , 为保证 MongoDB 中数据的持久性,MongoDB 使用了 Write Ahead Logging 向磁盘上的 journal 文件预先进行写入。除了 journal 日志,MongoDB 还使用检查点(checkpoint)来保证数据的一致性,当数据库发生宕机时,我们就需要 checkpoint 和 journal 文件协作完成数据的恢复工作。

  1. 在数据文件中查找上一个检查点的标识符
  2. 在 journal 文件中查找标识符对应的记录
  3. 重做对应记录之后的全部操作

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