MongoDB 详细教程

MongoDB 是一个开源的 NoSQL 文档数据库，提供高性能、高可用性和易扩展性。以下是 MongoDB 的全面教程：

1. MongoDB 简介

主要特点

文档存储：BSON 格式（类似 JSON）
无固定模式：集合中的文档可以有不同的结构
高性能：支持索引、聚合、内存映射
高可用：复制集（Replica Set）自动故障转移
水平扩展：分片（Sharding）支持
丰富查询语言：支持复杂查询和聚合操作

核心概念

数据库(Database)：数据容器
集合(Collection)：相当于关系型数据库的表
文档(Document)：相当于表中的行，BSON 格式
字段(Field)：文档中的键值对

2. MongoDB 安装

Linux 安装

# Ubuntu/Debian
sudo apt-key adv --keyserver hkp://keyserver.ubuntu.com:80 --recv 9DA31620334BD75D9DCB49F368818C72E52529D4
echo "deb [ arch=amd64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu bionic/mongodb-org/4.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-4.0.list
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

# 启动服务
sudo systemctl start mongod
sudo systemctl enable mongod

Mac 安装

brew tap mongodb/brew
brew install mongodb-community
brew services start mongodb-community

Windows 安装

从官网下载 MSI 安装包
运行安装向导
默认安装路径：C:\Program Files\MongoDB\Server\<version>\bin

Docker 运行

docker run --name some-mongo -d mongo

3. MongoDB Shell 基本操作

连接 MongoDB

mongo                          # 连接本地默认实例
mongo --host <host> --port <port> # 连接远程实例
mongo "mongodb://user:pwd@host:port/db" # 带认证连接

常用命令

show dbs                     // 显示所有数据库
use dbname                   // 切换/创建数据库
show collections             // 显示当前数据库的集合
db.collection.stats()        // 查看集合统计信息
db.help()                    // 数据库帮助
db.collection.help()         // 集合帮助
exit                         // 退出 shell

4. CRUD 操作

1. 插入文档

// 插入单个文档
db.users.insertOne({
  name: "张三",
  age: 25,
  email: "zhangsan@example.com",
  hobbies: ["读书", "游泳"],
  address: { city: "北京", street: "朝阳路" }
})

// 插入多个文档
db.users.insertMany([
  { name: "李四", age: 30 },
  { name: "王五", age: 28 }
])

2. 查询文档

// 查询所有文档
db.users.find()

// 条件查询
db.users.find({ age: { $gt: 25 } })  // 年龄大于25
db.users.find({ name: /张/ })        // 名字包含"张"

// 投影(只返回指定字段)
db.users.find({}, { name: 1, age: 1 })

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

// 分页
db.users.find().skip(10).limit(5)  // 跳过10条，取5条

// 计数
db.users.countDocuments({ age: { $gt: 25 } })

3. 更新文档

// 更新单个文档
db.users.updateOne(
  { name: "张三" },
  { $set: { age: 26 } }
)

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

// 替换文档
db.users.replaceOne(
  { name: "张三" },
  { name: "张三", age: 27, email: "new@example.com" }
)

4. 删除文档

// 删除单个文档
db.users.deleteOne({ name: "张三" })

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

// 删除集合
db.users.drop()

5. 索引

创建索引

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

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

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

// 文本索引(支持全文搜索)
db.articles.createIndex({ content: "text" })

索引管理

// 查看索引
db.users.getIndexes()

// 删除索引
db.users.dropIndex("name_1")

// 索引重建
db.users.reIndex()

6. 聚合框架

基本聚合

// 按年龄分组统计
db.users.aggregate([
  { $group: { _id: "$age", count: { $sum: 1 } } },
  { $sort: { count: -1 } },
  { $limit: 5 }
])

常用聚合阶段

$match：过滤文档
$group：分组
$sort：排序
$project：投影
$limit：限制数量
$skip：跳过文档
$unwind：展开数组
$lookup：关联查询

关联查询($lookup)

// orders 集合关联 users 集合
db.orders.aggregate([
  {
    $lookup: {
      from: "users",
      localField: "user_id",
      foreignField: "_id",
      as: "user_info"
    }
  }
])

7. 数据模型设计

1. 嵌入式文档

// 用户和地址嵌入
{
  _id: ObjectId("..."),
  name: "张三",
  addresses: [
    { type: "home", city: "北京" },
    { type: "work", city: "上海" }
  ]
}

2. 引用式文档

// 用户集合
{
  _id: ObjectId("user123"),
  name: "张三"
}

// 订单集合
{
  _id: ObjectId("order456"),
  user_id: ObjectId("user123"),
  amount: 100
}

设计原则

优先考虑嵌入：一对少、不频繁变化的数据
适当引用：一对多、频繁变化的数据
考虑读写比例：高频读取适合嵌入，高频更新适合引用
避免大文档：单个文档不超过16MB

8. 复制集(Replica Set)

配置复制集

创建配置文件(mongod.conf):

replication:
  replSetName: "rs0"

启动多个 mongod 实例

mongod --port 27017 --dbpath /data/db1 --replSet rs0
mongod --port 27018 --dbpath /data/db2 --replSet rs0
mongod --port 27019 --dbpath /data/db3 --replSet rs0

初始化复制集

rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "localhost:27017" },
    { _id: 1, host: "localhost:27018" },
    { _id: 2, host: "localhost:27019" }
  ]
})

复制集命令

rs.status()          // 查看状态
rs.add("host:port")  // 添加成员
rs.remove("host:port") // 移除成员
rs.slaveOk()         // 允许从节点读取

9. 分片(Sharding)

分片集群组件

mongos：路由进程
config servers：配置服务器
shards：数据分片

配置分片集群

启动配置服务器

mongod --configsvr --replSet configReplSet --dbpath /data/configdb --port 27019

启动分片服务器

mongod --shardsvr --replSet shardReplSet --dbpath /data/shard1 --port 27018

启动 mongos

mongos --configdb configReplSet/localhost:27019 --port 27017

添加分片

sh.addShard("shardReplSet/localhost:27018")

启用分片

sh.enableSharding("mydb")
sh.shardCollection("mydb.users", { "_id": "hashed" })

10. 安全与认证

1. 启用认证

创建管理员用户

use admin
db.createUser({
  user: "admin",
  pwd: "password",
  roles: [ { role: "userAdminAnyDatabase", db: "admin" } ]
})

启用认证(修改 mongod.conf)

security:
  authorization: enabled

2. 用户角色

read：只读
readWrite：读写
dbAdmin：数据库管理
userAdmin：用户管理
clusterAdmin：集群管理
root：超级用户

3. 连接认证

mongo -u username -p password --authenticationDatabase admin

11. 备份与恢复

1. mongodump/mongorestore

# 备份整个数据库
mongodump --host localhost --port 27017 --out /backup/

# 备份指定集合
mongodump --db mydb --collection users --out /backup/

# 恢复数据库
mongorestore --host localhost --port 27017 /backup/

2. mongoexport/mongoimport

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

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

# 导入数据
mongoimport --db mydb --collection users --file users.json

12. 性能优化

合理使用索引：为常用查询创建索引
查询优化：使用投影只返回必要字段
批量操作：使用 bulkWrite 减少网络开销
适当分片：大数据集考虑分片
监控工具：
- mongostat
- mongotop
- db.serverStatus()
- explain() 分析查询

13. 驱动程序示例

Node.js

const { MongoClient } = require('mongodb');

async function main() {
  const uri = "mongodb://localhost:27017";
  const client = new MongoClient(uri);

  try {
    await client.connect();
    const database = client.db("mydb");
    const collection = database.collection("users");

    // 插入文档
    await collection.insertOne({ name: "Alice", age: 30 });

    // 查询文档
    const users = await collection.find({ age: { $gt: 25 } }).toArray();
    console.log(users);
  } finally {
    await client.close();
  }
}

main().catch(console.error);

Python

from pymongo import MongoClient

client = MongoClient('localhost', 27017)
db = client['mydb']
collection = db['users']

# 插入文档
collection.insert_one({'name': 'Bob', 'age': 35})

# 查询文档
for user in collection.find({'age': {'$gt': 25}}):
    print(user)

Java

import com.mongodb.client.*;
import org.bson.Document;

public class MongoDBExample {
    public static void main(String[] args) {
        MongoClient mongoClient = MongoClients.create("mongodb://localhost:27017");
        MongoDatabase database = mongoClient.getDatabase("mydb");
        MongoCollection<Document> collection = database.getCollection("users");

        // 插入文档
        Document doc = new Document("name", "Charlie")
                         .append("age", 40);
        collection.insertOne(doc);

        // 查询文档
        for (Document user : collection.find(Filters.gt("age", 25))) {
            System.out.println(user.toJson());
        }

        mongoClient.close();
    }
}

14. 常见应用场景实现

1. 日志存储

// 日志文档结构
{
  timestamp: new Date(),
  level: "INFO",
  message: "User logged in",
  metadata: { userId: "123", ip: "192.168.1.1" }
}

// 按时间分片
sh.shardCollection("logs.messages", { "timestamp": 1 })

2. 商品目录

// 商品文档结构
{
  _id: ObjectId("..."),
  name: "智能手机",
  price: 2999,
  categories: ["电子产品", "手机"],
  attributes: {
    brand: "Apple",
    model: "iPhone 13",
    color: "黑色"
  },
  stock: 100,
  reviews: [
    { userId: "user1", rating: 5, comment: "很好用" },
    { userId: "user2", rating: 4, comment: "还不错" }
  ]
}

// 多条件查询
db.products.find({
  price: { $lt: 3000 },
  "attributes.brand": "Apple",
  categories: "手机"
})

3. 地理位置查询

// 创建地理位置索引
db.places.createIndex({ location: "2dsphere" })

// 插入位置数据
db.places.insertOne({
  name: "中央公园",
  location: { type: "Point", coordinates: [ -73.97, 40.77 ] }
})

// 附近地点查询
db.places.find({
  location: {
    $near: {
      $geometry: { type: "Point", coordinates: [ -73.98, 40.78 ] },
      $maxDistance: 1000  // 1公里内
    }
  }
})

MongoDB 是一个功能强大且灵活的 NoSQL 数据库，适用于各种现代应用开发场景。通过本教程，您应该能够掌握 MongoDB 的核心概念和基本操作，并能够开始在实际项目中使用它。

MongoDB 详细教程

1. MongoDB 简介

主要特点

核心概念

2. MongoDB 安装

Linux 安装

Mac 安装

Windows 安装

Docker 运行

3. MongoDB Shell 基本操作

连接 MongoDB

常用命令

4. CRUD 操作

1. 插入文档

2. 查询文档

3. 更新文档

4. 删除文档

5. 索引

创建索引

索引管理

6. 聚合框架

基本聚合

常用聚合阶段

关联查询($lookup)

7. 数据模型设计

1. 嵌入式文档

2. 引用式文档

设计原则

8. 复制集(Replica Set)

配置复制集

复制集命令

9. 分片(Sharding)

分片集群组件

配置分片集群

10. 安全与认证

1. 启用认证

2. 用户角色

3. 连接认证

11. 备份与恢复

1. mongodump/mongorestore

2. mongoexport/mongoimport

12. 性能优化

13. 驱动程序示例

Node.js

Python

Java

14. 常见应用场景实现

1. 日志存储

2. 商品目录

3. 地理位置查询

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