MongoDB 教程

MongoDB 教程

MongoDB 是一个基于分布式文件存储的开源 NoSQL 数据库，由 C++ 编写，为 Web 应用提供可扩展的高性能数据存储方案。与关系型数据库不同，MongoDB 使用 文档（Document）作为数据模型，数据以 BSON（二进制 JSON）格式存储，天然贴近开发者的对象思维。

MongoDB 的核心特性

适用场景

内容管理系统、日志与监控数据、实时分析、物联网传感器数据等写多读多、结构灵活的场景。

NoSQL 简介

NoSQL（Not Only SQL）是一类非关系型数据库的总称，用于解决传统关系型数据库在大数据、高并发场景下的瓶颈。它放弃了部分 ACID 约束，换取更高的扩展性与性能。

NoSQL 四大类型

MongoDB 简介

MongoDB 于 2009 年发布，由 MongoDB Inc.（原 10gen）开发，是目前最流行的文档型 NoSQL 数据库。它的基本概念包括：

// 一个典型 MongoDB 文档
{
  "_id": ObjectId("5f8c9a1b2c3d4e5f6a7b8c9d"),
  "name": "张三",
  "age": 25,
  "tags": ["前端", "篮球"],
  "address": { "city": "北京", "street": "中关村大街" }
}

Windows MongoDB

在 Windows 上安装 MongoDB 有两种常见方式：MSI 安装包 或 压缩包。

MSI 方式（推荐）

从官网下载 mongodb-windows-x86_64.msi，双击安装。安装时建议勾选 Install MongoDB Compass（图形化管理工具），并选择将 MongoDB 作为 Windows 服务安装，开机自启。

压缩包方式

:: 解压后进入 bin 目录，创建数据目录并启动
mkdir C:\data\db
cd C:\mongodb\bin
mongod --dbpath C:\data\db

:: 另开一个终端连接
mongo

Linux MongoDB

Linux 上最常用 apt / yum 包管理器安装 MongoDB。以 Ubuntu 为例：

# 导入 MongoDB 公钥并添加官方源
wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-7.0.asc | sudo apt-key add -
echo "deb [ arch=amd64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu focal/mongodb-org/7.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-7.0.list

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

# 启动并设置开机自启
sudo systemctl start mongod
sudo systemctl enable mongod

OSX MongoDB

macOS 上推荐用 Homebrew 安装 MongoDB：

# 添加 MongoDB 官方 tap
brew tap mongodb/brew

# 安装
brew install mongodb-community

# 启动服务（后台运行）
brew services start mongodb-community

# 连接测试
mongosh

MongoDB Shell

mongosh 是 MongoDB 官方的交互式 Shell（旧版为 mongo），用于执行数据库操作命令。

// 连接本地 MongoDB
mongosh

// 显示所有数据库
show dbs

// 切换/创建数据库（切换即创建）
use shop

// 查看当前数据库
db

// 查看集合
show collections

MongoDB 概念解析

深入理解 MongoDB 的核心概念有助于正确建模：

// ObjectId 结构
// 5f8c9a1b 2c3d4e5f 6a7b8c9d
// 时间戳   机器/进程  计数器

MongoDB 用户管理

生产环境必须为 MongoDB 开启认证并创建用户。

// 切换到 admin 库创建管理员
use admin
db.createUser({
  user: "admin",
  pwd: "admin123",
  roles: [{ role: "root", db: "admin" }]
})

// 创建业务库专用用户
use shop
db.createUser({
  user: "app",
  pwd: "app123",
  roles: [{ role: "readWrite", db: "shop" }]
})

MongoDB 连接

MongoDB 连接字符串（URI）格式统一，主流驱动均支持：

// 格式：mongodb://[用户:密码@]主机[:端口]/数据库
mongodb://localhost:27017/shop

// 带认证
mongodb://app:app123@localhost:27017/shop?authSource=admin

// 副本集
mongodb://node1:27017,node2:27017,node3:27017/shop?replicaSet=rs0

# Python 连接示例
from pymongo import MongoClient
client = MongoClient("mongodb://localhost:27017/")
db = client["shop"]

MongoDB 创建集合

集合（collection）类似关系型数据库的表，但不需要预定义字段结构。

// 隐式创建：插入第一条文档时自动创建集合
db.users.insertOne({ name: "张三" })

// 显式创建：可设置选项
db.createCollection("orders", {
  capped: true,        // 固定大小集合
  size: 100000,        // 最大字节数
  max: 1000            // 最大文档数
})

// 查看集合
show collections

MongoDB 更新集合名

可以使用 renameCollection 重命名集合：

// 语法：db.旧名.renameCollection("新名")
db.users.renameCollection("members")

// 通过管理命令
db.adminCommand({
  renameCollection: "shop.users",
  to: "shop.members"
})

MongoDB 删除集合

删除集合使用 drop() 方法，集合连同其中的文档将永久删除：

// 删除集合
db.orders.drop()

// 返回 true 表示删除成功
// 注意：该操作不可恢复！

MongoDB 插入文档

MongoDB 提供三种插入方法：

// 插入单条
db.users.insertOne({
  name: "李四", age: 30, tags: ["技术"]
})

// 插入多条
db.users.insertMany([
  { name: "王五", age: 22 },
  { name: "赵六", age: 28 }
])

// 传统方法（可插入单条或数组）
db.users.insert({ name: "老七" })

MongoDB 更新文档

更新文档需配合更新操作符使用，否则整个文档会被替换。

// 更新单条（匹配第一条）
db.users.updateOne(
  { name: "李四" },
  { $set: { age: 31, city: "上海" } }
)

// 更新多条
db.users.updateMany(
  { age: { $lt: 25 } },
  { $set: { level: "young" } }
)

// 常用操作符
// $set 设置字段  $inc 自增  $unset 删除字段
// $push 数组追加  $addToSet 数组去重追加
db.orders.updateOne(
  { _id: ObjectId("...") },
  { $inc: { total: 100 }, $push: { items: "商品A" } }
)

MongoDB 删除文档

删除文档使用 deleteOne / deleteMany：

// 删除匹配的第一条
db.users.deleteOne({ name: "王五" })

// 删除所有匹配
db.users.deleteMany({ age: { $lt: 18 } })

// 清空集合所有文档（保留集合）
db.users.deleteMany({})

// 返回 { deletedCount: n }

MongoDB 查询文档

查询是 MongoDB 最常用的操作，核心方法是 find()：

// 查询全部
db.users.find()

// 条件查询
db.users.find({ age: { $gt: 25 } })

// 投影：只返回指定字段（1 显示 0 隐藏）
db.users.find({}, { name: 1, age: 1, _id: 0 })

// 链式操作：排序 + 限制 + 跳过
db.users.find()
  .sort({ age: -1 })   // 1 升序 -1 降序
  .limit(10)
  .skip(20)

// 计数
db.users.countDocuments({ age: { $gt: 20 } })

MongoDB 条件操作符

MongoDB 提供丰富的比较与逻辑操作符：

// 组合查询示例
db.orders.find({
  $and: [
    { total: { $gte: 100 } },
    { status: { $in: ["paid", "shipped"] } }
  ]
})

MongoDB $type 操作符

$type 用于按字段类型过滤文档：

// 查询 age 字段为 double 类型的文档
db.users.find({ age: { $type: "double" } })

// 查询 age 为 int 或 long
db.users.find({ age: { $type: ["int", "long"] } })

MongoDB Limit 与 Skip 方法

limit() 限制返回条数，skip() 跳过前 N 条，常用于分页：

// 每页 20 条，取第 3 页
db.users.find()
  .sort({ _id: 1 })
  .skip(40)    // (页码-1) * 页大小
  .limit(20)

// 只取前 5 条
db.users.find().limit(5)

MongoDB 排序

sort() 对查询结果排序，1 升序、-1 降序：

// 按年龄降序，再按姓名升序
db.users.find().sort({ age: -1, name: 1 })

// 中文排序需注意 collation
db.users.find().sort({ name: 1 })
  .collation({ locale: "zh" })

MongoDB 索引

索引是 MongoDB 高性能查询的关键。

// 创建单字段索引
db.users.createIndex({ age: 1 })

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

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

// 查看索引
db.users.getIndexes()

// 删除索引
db.users.dropIndex("age_1")

MongoDB 聚合

聚合管道（Aggregation Pipeline）用于复杂的数据处理与分析，类似 SQL 的 GROUP BY + 多表关联：

// 按城市分组统计平均年龄
db.users.aggregate([
  { $match: { age: { $gt: 0 } } },       // 过滤
  { $group: {                            // 分组
      _id: "$city",
      avgAge: { $avg: "$age" },
      total: { $sum: 1 }
  } },
  { $sort: { total: -1 } },              // 排序
  { $limit: 10 }                         // 取前 10
])

MongoDB 复制(副本集)

副本集（Replica Set）是一组 mongod 实例，提供数据冗余与自动故障转移：

// 初始化副本集（任意节点执行一次）
rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "node1:27017" },
    { _id: 1, host: "node2:27017" },
    { _id: 2, host: "node3:27017", arbiterOnly: true }
  ]
})

// 查看副本集状态
rs.status()

MongoDB 分片

分片（Sharding）将数据水平拆分到多台服务器，突破单机容量与性能上限。MongoDB 分片集群包含：

// 启用分片并选择片键
sh.enableSharding("shop")
sh.shardCollection("shop.orders", { user_id: "hashed" })

MongoDB 备份与恢复

MongoDB 提供 mongodump / mongorestore 逻辑备份工具：

# 备份整个数据库
mongodump --db shop --out /backup/shop_$(date +%F)

# 备份单个集合
mongodump --db shop --collection users --out /backup/

# 恢复
mongorestore --db shop /backup/shop_2026-08-12/shop/

MongoDB 监控

监控 MongoDB 健康状态常用内置命令与工具：

// 查看服务器状态
db.serverStatus()

// 查看当前操作
db.currentOp()

// 连接数统计
db.serverStatus().connections

// 慢查询阈值（默认 100ms）
db.setProfilingLevel(1, { slowms: 50 })
db.system.profile.find().sort({ ts: -1 }).limit(5)

官方图形化监控工具为 Atlas / Ops Manager，社区常用 MongoDB Compass 与 Prometheus exporter。

MongoDB Java

Java 使用官方 mongodb-driver-sync 驱动：

// Maven 依赖
// <dependency>
//   <groupId>org.mongodb</groupId>
//   <artifactId>mongodb-driver-sync</artifactId>
//   <version>4.11.0</version>
// </dependency>

MongoClient client = MongoClients.create(
    "mongodb://localhost:27017");
MongoDatabase db = client.getDatabase("shop");
MongoCollection<Document> users = db.getCollection("users");

// 插入
users.insertOne(new Document("name", "张三")
    .append("age", 25));

// 查询
Document d = users.find(Filters.gt("age", 20)).first();
System.out.println(d.toJson());
client.close();

MongoDB PHP

PHP 使用官方 mongodb 扩展（配合 mongodb/mongodb 库）：

<?php
require 'vendor/autoload.php';
use MongoDB\Client;

$client = new Client("mongodb://localhost:27017");
$users = $client->shop->users;

// 插入
$users->insertOne(['name' => '张三', 'age' => 25]);

// 查询
$cursor = $users->find(['age' => ['$gt' => 20]]);
foreach ($cursor as $doc) {
    echo $doc['name'], PHP_EOL;
}

MongoDB 关系

MongoDB 中处理实体关系有两种策略：

// 嵌入式：订单含多个商品条目
{
  _id: ObjectId("..."),
  user: "张三",
  items: [
    { sku: "A1", qty: 2, price: 10 },
    { sku: "B2", qty: 1, price: 50 }
  ]
}

// 引用式：文章关联作者
{ title: "教程", authorId: ObjectId("...") }

MongoDB 数据库引用

DBRef 是一种标准化的引用格式，包含集合名与 _id，便于跨集合解析：

// DBRef 格式
{
  author: {
    $ref: "users",          // 目标集合
    $id: ObjectId("..."),   // 文档 _id
    $db: "shop"             // 可选，目标数据库
  }
}

MongoDB 覆盖索引查询

覆盖索引查询（Covered Query）指查询所需字段全部在索引中，无需回表读取文档，速度极快：

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

// 查询只投影索引字段（且 _id: 0）
db.users.find(
  { name: "张三" },
  { name: 1, age: 1, _id: 0 }
).explain().queryPlanner.winningPlan
// 若出现 "IXSCAN" 且无 FETCH，即为覆盖查询

MongoDB 查询分析

用 explain() 分析查询执行计划，定位慢查询根因：

// 查看执行计划
db.users.find({ age: { $gt: 25 } }).explain("executionStats")

// 关键字段
// winningPlan: 选中的执行计划
// stage: COLLSCAN（全表扫描）或 IXSCAN（走索引）
// executionTimeMillis: 执行耗时
// nReturned / totalDocsExamined: 返回数/扫描数

MongoDB 原子操作

MongoDB 对单文档的更新是原子的。借助 findAndModify 可实现计数器、队列等原子操作：

// 原子自增计数器
db.counters.findOneAndUpdate(
  { _id: "visits" },
  { $inc: { seq: 1 } },
  { upsert: true, returnDocument: "after" }
)
// 返回 { _id: "visits", seq: 1024 }

MongoDB 高级索引

MongoDB 支持多种高级索引类型：

// 文本索引（中文需指定分词器）
db.articles.createIndex(
  { content: "text" },
  { default_language: "zh" }
)

// 地理位置索引（2dsphere 支持球面查询）
db.places.createIndex({ loc: "2dsphere" })
db.places.find({
  loc: {
    $near: {
      $geometry: { type: "Point", coordinates: [116.4, 39.9] },
      $maxDistance: 5000
    }
  }
})

// 稀疏索引（只索引含该字段的文档）
db.users.createIndex({ vip: 1 }, { sparse: true })

// TTL 索引（自动过期删除，常用于日志/验证码）
db.logs.createIndex({ created_at: 1 }, { expireAfterSeconds: 86400 })

MongoDB 索引限制

使用索引时有几个限制需要了解：

MongoDB ObjectId

ObjectId 是 MongoDB 默认的主键类型，12 字节结构如下：

// 生成 ObjectId
const id = ObjectId()
// 5f8c9a1b2c3d4e5f6a7b8c9d

// 提取时间戳（可用于按时间排序/查询）
id.getTimestamp()
// ISODate("2020-10-18T07:33:47Z")

MongoDB Map Reduce

MapReduce 是 MongoDB 早期的分布式计算框架，现在更推荐用聚合管道替代：

// 统计每个城市的人数（MapReduce 写法）
db.users.mapReduce(
  function() { emit(this.city, 1); },      // map
  function(key, values) {                  // reduce
    return Array.sum(values);
  },
  { out: "city_stats" }
)

// 等价聚合管道写法（更高效）
db.users.aggregate([
  { $group: { _id: "$city", count: { $sum: 1 } } }
])

MongoDB 全文检索

MongoDB 内置文本索引，支持对字符串字段做全文搜索：

// 创建文本索引（可多字段）
db.articles.createIndex(
  { title: "text", content: "text" },
  { default_language: "zh" }
)

// 全文搜索
db.articles.find({
  $text: { $search: "MongoDB 教程" }
})

// 带评分排序
db.articles.find(
  { $text: { $search: "数据库" } },
  { score: { $meta: "textScore" } }
).sort({ score: { $meta: "textScore" } })

MongoDB 正则表达式

MongoDB 查询支持 PCRE 正则，用于模糊匹配：

// 查询 name 以"张"开头的用户
db.users.find({ name: /^张/ })

// 等价写法（正则对象）
db.users.find({ name: { $regex: "^张" } })

// 忽略大小写
db.users.find({ email: { $regex: "@qq.com$", $options: "i" } })

MongoDB 管理工具

MongoDB 生态常用的管理工具：

# 实时监控读写频率
mongostat --host localhost:27017

# 查看集合操作耗时 TOP
mongotop --host localhost:27017

MongoDB GridFS

GridFS 用于在 MongoDB 中存储超过 16MB 的大文件，它将文件拆分为多个 chunks：

# 命令行上传/下载文件
mongofiles --db mydb put video.mp4
mongofiles --db mydb get video.mp4

# 列出文件
mongofiles --db mydb list

MongoDB 固定集合

固定集合（Capped Collection）是大小固定的循环队列式集合，自动淘汰最旧数据：

// 创建 1MB 固定集合
db.createCollection("logs", {
  capped: true,
  size: 1048576,
  max: 5000
})

// 插入不受限制，满了自动覆盖最旧
db.logs.insertOne({ level: "info", msg: "hello" })

MongoDB 自动增长

MongoDB 没有内置自增 ID（默认 ObjectId），若业务需要自增序列（如订单号），需自行实现计数器：

// 维护一个计数器集合
db.counters.insertOne({ _id: "orderNo", seq: 0 })

// 原子获取下一个序列值
function nextSeq(name) {
  const doc = db.counters.findOneAndUpdate(
    { _id: name },
    { $inc: { seq: 1 } },
    { upsert: true, returnDocument: "after" }
  );
  return doc.seq;
}

// 使用
const no = nextSeq("orderNo")  // 1, 2, 3 ...