在分布式應(yīng)用系統(tǒng)中，mongodb 已經(jīng)成為 NoSQL 經(jīng)典數(shù)據(jù)庫(kù)。要想很好的使用 mongodb，僅僅知道如何使用它是不夠的。只有對(duì)其架構(gòu)原理等有了充分認(rèn)識(shí)，才能在實(shí)際運(yùn)用中使其更好地服務(wù)于應(yīng)用，遇到問(wèn)題知道怎么處理，而不是抓瞎抹黑。這篇文章就帶你進(jìn)入 mongodb 集群的大門。

集群概覽

mongodb 相關(guān)的進(jìn)程分為三類：

• mongo 進(jìn)程 – 該進(jìn)程是 mongodb 提供的 shell 客戶端進(jìn)程，通過(guò)該客戶端可以發(fā)送命令并操作集群；
• mongos 進(jìn)程 – mongodb 的路由進(jìn)程，負(fù)責(zé)與客戶端連接，轉(zhuǎn)發(fā)客戶端請(qǐng)求到后端集群，對(duì)客戶端屏蔽集群內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
• mongod 進(jìn)程 – 提供數(shù)據(jù)讀寫的 mongodb 實(shí)例進(jìn)程。
  

類比銀行服務(wù)，mongo 進(jìn)程相當(dāng)于客戶，mongos 進(jìn)程是柜臺(tái)服務(wù)員，mongod 進(jìn)程是銀行后臺(tái)實(shí)際處理業(yè)務(wù)的人員或者流程?？蛻糁恍枰凸衽_(tái)服務(wù)員溝通，告知辦什么業(yè)務(wù)，柜臺(tái)服務(wù)員將業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)往后臺(tái)，后臺(tái)實(shí)際處理。

下圖是 mongodb 集群的一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

如圖，mongodb 集群的節(jié)點(diǎn)分為三類：

• mongos 路由節(jié)點(diǎn)：處理客戶端的連接，扮演存取路由器的角色，將請(qǐng)求分發(fā)到正確的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)客戶端屏蔽分布式的概念；
• config 配置節(jié)點(diǎn)：配置服務(wù)，保存數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的元數(shù)據(jù)，比如每個(gè)分片上的數(shù)據(jù)范圍，數(shù)據(jù)塊列表等。配置節(jié)點(diǎn)也是 mongod 進(jìn)程，只是它存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)是集群相關(guān)的元數(shù)據(jù)；
• shard 分片節(jié)點(diǎn)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)，分片節(jié)點(diǎn)由若干個(gè)副本集組成，每個(gè)副本集存儲(chǔ)部分全體數(shù)據(jù)，所有副本集的數(shù)據(jù)組成全體數(shù)據(jù)，而副本集內(nèi)部節(jié)點(diǎn)存放相同的數(shù)據(jù)，做數(shù)據(jù)備份與高可用。
  

還是拿銀行業(yè)務(wù)類比，當(dāng)客戶辦理保單保存業(yè)務(wù)時(shí)，

1. 柜臺(tái)服務(wù)員接受客戶的保單業(yè)務(wù)請(qǐng)求（mongos 路由節(jié)點(diǎn)接收客戶端的操作請(qǐng)求）；
2. 柜臺(tái)服務(wù)員查詢文件目錄系統(tǒng)查看該保單應(yīng)該保存到哪個(gè)倉(cāng)庫(kù)（mongos 節(jié)點(diǎn)與 config 配置節(jié)點(diǎn)通信，查詢相關(guān)操作數(shù)據(jù)在哪個(gè)分片節(jié)點(diǎn)）；
3. 知道哪個(gè)倉(cāng)庫(kù)后，柜臺(tái)服務(wù)員將保單給倉(cāng)庫(kù)管理員，倉(cāng)庫(kù)管理員將保單放到指定倉(cāng)庫(kù)中（mongos 節(jié)點(diǎn)將請(qǐng)求發(fā)送給數(shù)據(jù)所在分片節(jié)點(diǎn)，分片節(jié)點(diǎn)進(jìn)行讀寫處理）。
   

mongos 路由服務(wù)

mongos 服務(wù)類似網(wǎng)關(guān)，連接 mongodb 集群與應(yīng)用程序，對(duì)外屏蔽 mongodb 內(nèi)部結(jié)構(gòu)，應(yīng)用程序只需要將請(qǐng)求發(fā)送給 mongos，而無(wú)需關(guān)心集群內(nèi)部副本分片等信息。

mongos 本身不保存數(shù)據(jù)與索引信息，它通過(guò)查詢 config 配置服務(wù)來(lái)獲取，所以可以考慮將 mongos 與應(yīng)用程序部署在同一臺(tái)服務(wù)器上，當(dāng)服務(wù)器宕機(jī)時(shí) mongos 也一起失效，防止出現(xiàn) mongos 閑置。

mongos 節(jié)點(diǎn)也可以是單個(gè)節(jié)點(diǎn)，但為了高可用，一般部署多個(gè)節(jié)點(diǎn)。就像柜臺(tái)服務(wù)員一樣，可以有多個(gè)，相互之間沒有主備關(guān)系，都可以獨(dú)立處理業(yè)務(wù)。

需要注意的是，在開啟分片的情況下，應(yīng)用程序應(yīng)該避免直接連接分片節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)修改，因?yàn)檫@種情況下很可能造成數(shù)據(jù)不一致等嚴(yán)重后果，而是通過(guò) mongos 節(jié)點(diǎn)來(lái)操作。

config 配置服務(wù)

config 配置節(jié)點(diǎn)本質(zhì)也是一個(gè)副本集，副本集中存放集群的元數(shù)據(jù)，如各個(gè)分片上的數(shù)據(jù)塊列表，數(shù)據(jù)范圍，身份驗(yàn)證等信息。如下，可以看到數(shù)據(jù)庫(kù) config，數(shù)據(jù)庫(kù)中集合保存了集群的重要元數(shù)據(jù)。

mongos> use config;
switched to db config
mongos> show collections;
changelog
chunks
collections
databases
lockpings
locks
migrations
mongos
shards
tags
transactions
version

一般情況下，用戶不應(yīng)該直接變更 config 的數(shù)據(jù)，否則很可能造成嚴(yán)重后果。

shard 分片服務(wù)

分布式存儲(chǔ)要解決的是兩個(gè)問(wèn)題：

隨著業(yè)務(wù)不斷發(fā)展，數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，單機(jī)存儲(chǔ)受限于物理?xiàng)l件，必然要通過(guò)增加服務(wù)器來(lái)支持不斷增大的數(shù)據(jù)。所以分布式下，不可能全部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，必然是將數(shù)據(jù)劃分，部分?jǐn)?shù)據(jù)放到這個(gè)節(jié)點(diǎn)，另外部分?jǐn)?shù)據(jù)放到另外的節(jié)點(diǎn)上。也就是數(shù)據(jù)的伸縮性。
考慮高可用。如果同一份數(shù)據(jù)只存在一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，當(dāng)這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生異常時(shí)，數(shù)據(jù)不可用。這就要求分布式下同一份數(shù)據(jù)需要存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，以達(dá)高可用效果。
在 mongodb 集群中，數(shù)據(jù)的伸縮性通過(guò)分片集來(lái)實(shí)現(xiàn)，高可用通過(guò)副本集來(lái)實(shí)現(xiàn)。

如圖，全部數(shù)據(jù)為1-6，將其劃分為3部分，1-2為一個(gè)分片，3-4為一個(gè)分片，5-6為一個(gè)分片。每個(gè)分片存儲(chǔ)在不同的節(jié)點(diǎn)上。而每個(gè)分片有3個(gè)副本，組成副本集，每個(gè)副本都是獨(dú)立的 mongod 實(shí)例。

所以副本集是一個(gè)縱向概念，描述的是相同的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上；而分片是一個(gè)橫向概念，描述的是全量數(shù)據(jù)被切成不同的片段，每個(gè)片段獨(dú)立存儲(chǔ)。這個(gè)片段就是分片，而分片通過(guò)副本集進(jìn)行存儲(chǔ)。

副本集

副本集包含三種角色：

• 主節(jié)點(diǎn)（Primary）
• 副節(jié)點(diǎn)（Secondary）
• 仲裁節(jié)點(diǎn)（Arbiter）
  

一個(gè)副本集由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，多個(gè)副節(jié)點(diǎn)，0或多個(gè)仲裁節(jié)點(diǎn)組成。

主節(jié)點(diǎn)與副節(jié)點(diǎn)是數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)的寫操作，數(shù)據(jù)寫到主節(jié)點(diǎn)后，會(huì)通過(guò)同步機(jī)制同步到副節(jié)點(diǎn)上。默認(rèn)讀操作也由主節(jié)點(diǎn)提供，但是可以手動(dòng)設(shè)置 read preference，優(yōu)先從副節(jié)點(diǎn)讀取。

仲裁節(jié)點(diǎn)不是數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，不存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，也不提供讀寫操作。仲裁節(jié)點(diǎn)是作為投票者存在，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)異常需要進(jìn)行切換時(shí)，仲裁節(jié)點(diǎn)有投票權(quán)，但沒有被投票權(quán)。仲裁節(jié)點(diǎn)可以在資源有限的情況下，依然支持故障恢復(fù)。比如只有2個(gè)節(jié)點(diǎn)的硬盤資源，在這種情況下可以增加一個(gè)不占存儲(chǔ)的仲裁節(jié)點(diǎn)，組成“一主一副一仲裁”的副本集架構(gòu)，當(dāng)主節(jié)點(diǎn)宕掉時(shí)，副節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)切換。

節(jié)點(diǎn)間通過(guò)“心跳”進(jìn)行溝通，以此知道彼此的狀態(tài)。當(dāng)主節(jié)點(diǎn)異常不可用時(shí)，從其他有被投票權(quán)的節(jié)點(diǎn)中投票選出一個(gè)升級(jí)為主節(jié)點(diǎn)，繼續(xù)保持服務(wù)高可用。這里投票采取“大多數(shù)”原則，即需要多于總節(jié)點(diǎn)數(shù)一半的節(jié)點(diǎn)同意，才能被選舉成主節(jié)點(diǎn)。也因此不建議采用偶數(shù)個(gè)節(jié)點(diǎn)組成副本集，因?yàn)榕紨?shù)情況下，如果發(fā)生半數(shù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)隔離，隔離的半數(shù)節(jié)點(diǎn)達(dá)不到“大多數(shù)”的要求，無(wú)法選舉產(chǎn)生新的主節(jié)點(diǎn)。

通過(guò) rs.status() 可以查看副本集，參考《教你快速搭建 mongodb 集群》

分片集

分片就是將全部數(shù)據(jù)根據(jù)一定規(guī)則劃分成沒有交集的數(shù)據(jù)子集，每個(gè)子集就是一個(gè)分片，不同分片存放在不同節(jié)點(diǎn)上。這里有幾個(gè)問(wèn)題：

• 劃分規(guī)則也就是分片策略是什么？
• 分片數(shù)據(jù)是如何存放的？
• 數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，分片如何動(dòng)態(tài)調(diào)整？
  

數(shù)據(jù)塊 Chunk

chunk 由多個(gè)文檔組成，一個(gè)分片中包含多個(gè) chunk。chunk 是分片間數(shù)據(jù)遷移的最小單位。實(shí)際上，文檔是通過(guò)分片策略計(jì)算出應(yīng)該存儲(chǔ)在哪個(gè) chunk，而 chunk 存放在分片上。

如圖，假設(shè)按照文檔的 x 字段值來(lái)進(jìn)行分片，根據(jù)不同取值范圍存放在不同的數(shù)據(jù)塊，如25-175在 chunk 3上。

把書比作 mongodb 中的文檔，書柜比作數(shù)據(jù)塊，房間比作分片。每本書根據(jù)一定規(guī)則放到某書柜上，房間中有很多書柜。當(dāng)某個(gè)房間的書柜太多，就需要以書柜為單位，遷移到相對(duì)比較寬松的房間。

chunk 的大小默認(rèn)為 64MB，也可以自定義。chunk 的存在有兩個(gè)意義：

• 當(dāng)某個(gè) chunk 超過(guò)大小時(shí)，會(huì)觸發(fā) chunk 分裂。
• 當(dāng)分片間的 chunk 數(shù)不均衡時(shí)，會(huì)觸發(fā) chunk 遷移。

chunk 遷移由 mongodb 的平衡器來(lái)操作，默認(rèn)平衡器是開啟的，是運(yùn)行在后臺(tái)的一個(gè)進(jìn)程，也可以手動(dòng)關(guān)閉。

可以通過(guò)下面命令來(lái)查看平衡器狀態(tài)：

sh.getBalancerState()

chunk 的大小對(duì)集群的影響：

• 比較小時(shí)，chunk 數(shù)比較多，數(shù)據(jù)分布比較均勻，但會(huì)引起頻繁的數(shù)據(jù)塊分裂與遷移；
• 比較大時(shí)，chunk 數(shù)比較少，數(shù)據(jù)容易分散不均勻，遷移時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸量大。

所以要自定義數(shù)據(jù)塊大小時(shí)，一定要考慮完備，否則將大大影響集群與應(yīng)用程序的性能。

片鍵 Shard Key

mongodb 集群不會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分片，需要客戶端告知 mongodb 哪些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行分片，分片的規(guī)則是什么。

某個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)啟用分片：

mongos> sh.enableSharding(database>)

設(shè)置集合的分片規(guī)則：

mongos> sh.shardCollection(database.collection>,key>,unique>,options>)
# unique 與 options 為可選參數(shù)

例如，將數(shù)據(jù)庫(kù) mustone 開啟分片，并設(shè)置庫(kù)中 myuser 集合的文檔根據(jù) _id 字段的散列值來(lái)進(jìn)行劃分分片。

sh.enableSharding("mustone")
sh.shardCollection("mustone.myuser",{_id: "hashed"})

這里劃分規(guī)則體現(xiàn)在 上， 定義了分片策略，分片策略由片鍵 Shard Key 與分片算法組成。片鍵就是文檔的某一個(gè)字段，也可以是復(fù)合字段。分片算法分為兩種：

• 基于范圍。如 設(shè)置為 id:1 表示基于字段 id 的升序進(jìn)行分片，id:-1 表示基于字段 id 的倒序進(jìn)行分片，字段 id 就是 shard key（片鍵）。當(dāng)集合中文檔為空時(shí)，設(shè)置分片后，會(huì)初始化單個(gè) chunk，chunk 的范圍為(-∞,+∞)。當(dāng)不斷往其中插入數(shù)據(jù)到達(dá) chunk 大小上限后，會(huì)進(jìn)行 chunk 分裂與必要遷移。
• 基于hash。如上面的栗子， 設(shè)置為 _id:”hashed”，表示根據(jù)字段 _id 的哈希來(lái)分片，此時(shí)片鍵為 _id。初始化時(shí)會(huì)根據(jù)分片節(jié)點(diǎn)數(shù)初始化若干個(gè) chunk，如3個(gè)分片節(jié)點(diǎn)會(huì)初始化6個(gè) chunk，每個(gè) shard 2個(gè) chunk。

每個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)分配一個(gè) primary shard，初始化的 chunk 或者沒有開啟分片的集合都默認(rèn)放在這個(gè) primary shard 上。

分片策略的選擇至關(guān)重要，等數(shù)據(jù)量大了再更改分片策略將會(huì)很麻煩。分片策略的原則：

1. 均勻分布原則。分片的目標(biāo)就是讓數(shù)據(jù)在各個(gè)分片上均勻分布，數(shù)據(jù)的存取壓力也分解到各個(gè)分片上。比如以自增長(zhǎng)的 id 升序?yàn)槠I，會(huì)導(dǎo)致新數(shù)據(jù)永遠(yuǎn)都寫在最后的 chunk 上，且 chunk 分裂與遷移也會(huì)落在該 chunk 所在分片上，造成該分片壓力過(guò)大。
2. 大基數(shù)原則。集合的片鍵可能包含的不同值的個(gè)數(shù)，稱為基數(shù)。基數(shù)越大，數(shù)據(jù)就能劃分得更細(xì)?；鶖?shù)越小，chunk 的個(gè)數(shù)就有限。比如性別，只有男女，如果作為片鍵，最多兩個(gè) chunk，等數(shù)據(jù)越來(lái)越大后，便無(wú)法橫向擴(kuò)展。
3. 就近原則。盡可能讓一次查詢的數(shù)據(jù)分布在同一個(gè) chunk 上，這樣提升磁盤讀取性能。避免毫無(wú)意義的隨機(jī)片鍵，雖然分布均勻了，但每次查詢都要跨多個(gè) chunk 才能完成，效率低下。
   

需要說(shuō)明的是，mongodb 分片集群雖然比較完備，但是存在一些限制，如備份相對(duì)困難，分片集合無(wú)法做關(guān)聯(lián)查詢等。所以要根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)來(lái)評(píng)估，如果副本集已經(jīng)夠用了，不一定要進(jìn)行分片存取。

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