简介：本文为MongoDB数据库的完整使用手册，涵盖安装部署、数据建模、CRUD操作、索引优化、聚合框架及高可用架构等核心内容，适合开发者和DBA参考使用。

MongoDB 使用手册：从基础到进阶的完整指南

一、MongoDB简介与核心优势

MongoDB是一款基于分布式文件存储的非关系型数据库（NoSQL），采用文档型数据模型（BSON格式），支持动态模式设计。相较于传统关系型数据库，MongoDB具有以下核心优势：

灵活的数据模型：无需预先定义表结构，支持嵌套文档和数组存储
水平扩展能力：通过分片集群实现PB级数据存储
高性能读写：内置内存计算引擎和索引优化
丰富的查询功能：支持地理位置查询、全文检索等高级特性

典型应用场景包括：内容管理系统、实时分析、物联网数据存储、高并发Web应用等。

二、安装与部署指南

2.1 环境准备

系统要求：Linux（推荐Ubuntu/CentOS）、Windows 10+、macOS
依赖检查：确保可用磁盘空间>10GB，内存建议≥4GB
版本选择：生产环境推荐使用最新LTS版本（如6.0.x）

2.2 安装方式

方式一：官方包安装

# Ubuntu示例
wget https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu/dists/ubuntu2204/mongodb-org/6.0/multiverse/binary-amd64/mongodb-org-server_6.0.5_amd64.deb
sudo dpkg -i mongodb-org-server_6.0.5_amd64.deb
sudo systemctl start mongod

方式二：Docker部署

docker run --name mongo-container -d -p 27017:27017 \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_USERNAME=admin \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_PASSWORD=secure123 \
  mongo:6.0

2.3 配置优化

关键配置参数（mongod.conf）：

storage:
  dbPath: /var/lib/mongodb
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 2  # 根据内存调整
net:
  bindIp: 0.0.0.0   # 允许远程连接
  port: 27017
security:
  authorization: enabled  # 启用认证

三、核心操作实践

3.1 数据库与集合管理

// 创建数据库（自动创建）
use ecommerce
// 创建集合（显式创建带校验）
db.createCollection("products", {
  validator: {
    $jsonSchema: {
      bsonType: "object",
      required: ["name", "price"],
      properties: {
        name: { bsonType: "string" },
        price: { bsonType: "decimal" },
        stock: { bsonType: "int", minimum: 0 }
      }
    }
  }
})

3.2 CRUD操作详解

插入文档：

db.products.insertOne({
  name: "MongoDB Guide",
  price: Decimal128("49.99"),
  tags: ["database", "nosql"],
  specs: {
    version: "6.0",
    format: "PDF"
  }
})

复杂查询：

// 多条件查询
db.orders.find({
  status: "shipped",
  $or: [
    { shipDate: { $gte: ISODate("2023-01-01") } },
    { priority: "high" }
  ]
}).sort({ total: -1 }).limit(10)
// 数组查询
db.customers.find({
  addresses: {
    $elemMatch: {
      type: "shipping",
      zip: "10001"
    }
  }
})

3.3 索引策略

索引类型：

单字段索引：db.users.createIndex({ email: 1 })
复合索引：db.orders.createIndex({ customerId: 1, date: -1 })
多键索引：针对数组字段
地理空间索引：db.places.createIndex({ location: "2dsphere" })

索引优化建议：

遵循EPO原则（Equality, Range, Order）
定期使用explain()分析查询计划
监控索引使用情况：db.collection.stats()
避免创建过多索引（写性能下降）

四、高级功能应用

4.1 聚合框架

典型电商分析管道：

db.sales.aggregate([
  { $match: { date: { $gte: ISODate("2023-01-01") } } },
  { $group: {
      _id: { $month: "$date" },
      totalSales: { $sum: "$amount" },
      avgPrice: { $avg: "$price" },
      count: { $sum: 1 }
  }},
  { $sort: { _id: 1 } },
  { $project: {
      month: "$_id",
      performance: {
        $concat: [
          "$totalSales",
          " (avg: ",
          { $toString: "$avgPrice" },
          ")"
        ]
      },
      _id: 0
  }}
])

4.2 事务处理

跨集合事务示例：

const session = db.getMongo().startSession();
try {
  session.startTransaction();
  db.accounts.updateOne(
    { _id: "cust123" },
    { $inc: { balance: -100 } },
    { session }
  );
  db.transactions.insertOne({
    from: "cust123",
    to: "merch456",
    amount: 100,
    date: new Date()
  }, { session });
  session.commitTransaction();
} catch (error) {
  session.abortTransaction();
  throw error;
}

4.3 复制集配置

三节点复制集配置示例：

# mongod1配置
replication:
  replSetName: "rs0"
  enableMajorityReadConcern: true
net:
  bindIp: 192.168.1.10
# 初始化命令
rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "mongo1:27017" },
    { _id: 1, host: "mongo2:27017" },
    { _id: 2, host: "mongo3:27017", arbiterOnly: true }
  ]
})

五、性能调优与监控

5.1 性能诊断工具

mongostat：实时监控连接数、操作统计
mongotop：跟踪集合级I/O活动

数据库命令：

db.serverStatus()
db.currentOp()
db.killOp(<opid>)

5.2 常见问题解决方案

慢查询优化：

使用$hint强制使用特定索引
限制返回字段：{ projection: { name: 1, price: 1 } }
避免全集合扫描：确保查询包含索引字段

内存管理：

调整wiredTigerCacheSizeGB参数
监控wiredTiger.cache指标
定期执行compact命令回收空间

六、安全最佳实践

6.1 认证与授权

角色管理示例：

// 创建自定义角色
db.createRole({
  role: "analyticsUser",
  privileges: [
    { resource: { db: "sales", collection: "" }, actions: ["find"] },
    { resource: { db: "reports", collection: "" }, actions: ["find", "aggregate"] }
  ],
  roles: []
})
// 创建用户并分配角色
db.createUser({
  user: "analyst",
  pwd: "securePass123",
  roles: ["analyticsUser", "readAnyDatabase"]
})

6.2 加密与审计

启用TLS加密：net.tls.mode: requireTLS

审计日志配置：

auditLog:
  destination: file
  format: JSON
  path: /var/log/mongodb/audit.json

七、迁移与备份策略

7.1 数据迁移工具

mongodump/mongorestore：物理备份

mongodump --host=source --db=ecommerce --out=/backup
mongorestore --host=target --dir=/backup/ecommerce

MongoDB Atlas Live Migration：云间迁移

7.2 持续备份方案

OpLog捕获：

// 配置secondary节点作为oplog采集点
replication:
  oplogSizeMB: 10240  # 增大oplog大小

定时快照：

# 每日凌晨2点执行备份
0 2 * * * /usr/bin/mongodump --uri="mongodb://admin:pass@localhost" --gzip --archive=/backups/daily_$(date +\%Y\%m\%d).gz

八、进阶主题

8.1 变更流（Change Streams）

实时监听集合变更：

const pipeline = [{ $match: { "fullDocument.status": "paid" } }];
const collection = db.collection("orders");
const changeStream = collection.watch(pipeline);
changeStream.on("change", (change) => {
  console.log("New paid order:", change.fullDocument);
});

8.2 多文档事务

ACID事务实现：

const session = db.getMongo().startSession();
try {
  session.startTransaction({
    readConcern: { level: "snapshot" },
    writeConcern: { w: "majority" }
  });
  // 执行多个操作...
  await session.commitTransaction();
} catch (error) {
  await session.abortTransaction();
  throw error;
}

九、常见问题解答

Q1：如何选择合适的分片键？
A：遵循三个原则：

高基数性（避免热点）
写入分布均匀
查询模式匹配（优先包含在查询条件中的字段）

Q3：如何处理大文档？
建议：

拆分超大文档为多个集合
使用GridFS存储二进制大对象
启用failIndexKeyTooLong参数控制索引键长度

十、学习资源推荐

官方文档：https://docs.mongodb.com/
M001/M121课程：MongoDB大学免费课程
实践工具：
- MongoDB Compass（GUI管理工具）
- Studio 3T（高级查询构建器）
- NoSQLBooster（IDE集成环境）

本手册涵盖了MongoDB从基础安装到高级应用的完整知识体系，建议开发者结合实际项目进行实践验证。随着版本更新（当前最新LTS为6.0），建议定期查阅官方变更日志以掌握新特性。

MongoDB使用完全指南：从基础到进阶的实践手册