背景：我司是一家正處于高速發(fā)展，目前擁有數(shù)百萬(wàn)用戶，年銷(xiāo)售額近五十億的社交電商公司。公司技術(shù)部建立之初，為了適應(yīng)用戶量的高速增長(zhǎng)，與業(yè)務(wù)的不斷變更迭代，在選用數(shù)據(jù)庫(kù)的時(shí)候，經(jīng)過(guò)調(diào)研對(duì)比我們選擇了MongoDB。

[[330601]]

是的，你沒(méi)看錯(cuò)，All in MongoDB!

全文大綱：

1. 為什么使用MongoDB(選擇數(shù)據(jù)的時(shí)候我們是怎么考慮的?)

2. MongoDB架構(gòu)(99.99%高可用，晚上安心睡大覺(jué)!)

3. MongoDB 分片(海量數(shù)據(jù)應(yīng)對(duì)之道!)

4. MongoDB文檔模型介紹(靈活!靈活!靈活!)

1.為什么使用MongoDB

因?yàn)槲宜局饕錾缃浑娚痰臉I(yè)務(wù)，所以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的性能有一定的要求，加上商品交易是公司主要盈利來(lái)源，所以對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的高可用也有一定的要求。

總結(jié)一下我們對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的要求：

• 安全，穩(wěn)定
• 高可用
• 高性能

我們?cè)诳紤]數(shù)據(jù)庫(kù)選型的時(shí)候主要考慮什么?

• 數(shù)據(jù)規(guī)模
• 支持讀寫(xiě)并發(fā)量
• 延遲與吞吐量

從數(shù)據(jù)規(guī)模來(lái)說(shuō)訂單和商品SKU，還有會(huì)員信息這些重要的數(shù)據(jù)記錄肯定會(huì)隨著時(shí)間源源不斷的增長(zhǎng)，所以我們需要的不僅僅是滿足當(dāng)下要求，更需要為半年一年后海量數(shù)據(jù)更為方便的擴(kuò)容做考量!

下面我們從MongoDB的架構(gòu)，性能，和文檔模型來(lái)介紹一下我們選擇MongoDB的理由!

2.MongoDB架構(gòu)

2.1 關(guān)于高可用

數(shù)據(jù)庫(kù)作為系統(tǒng)核心，要保證99.99%的可用性，而高可用的保證來(lái)自于MongoDB冗余數(shù)據(jù)的復(fù)制集模式。MongoDB自帶多副本高可用，只需要合理的配置，就能避免單數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)故障導(dǎo)致服務(wù)的不可用。

圖例說(shuō)明：

• 一個(gè)Primary主節(jié)點(diǎn)，主要接受來(lái)自server的讀寫(xiě);
• 兩個(gè)Secondary從節(jié)點(diǎn)，用于同步來(lái)自Primary的數(shù)據(jù)。

關(guān)于高可用：當(dāng)主節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的時(shí)候，兩個(gè)從節(jié)點(diǎn)會(huì)進(jìn)行選舉，投票產(chǎn)生一個(gè)新的主節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而保證服務(wù)的可用性。(PS：在選舉過(guò)程中數(shù)據(jù)不可寫(xiě)入，但是如果Secnondary節(jié)點(diǎn)配置可讀，那么此時(shí)是可以讀取數(shù)據(jù)的。)這就是MongoDB的高可用，配置簡(jiǎn)單，不需要引入額外的中間件或者插件去輔助數(shù)據(jù)庫(kù)節(jié)點(diǎn)間的故障轉(zhuǎn)移。

2.2 關(guān)于選舉算法《分布式一致性算法---raft》

raft協(xié)議是在leader節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障或者網(wǎng)絡(luò)分區(qū)導(dǎo)致腦裂時(shí)如何保證分布式數(shù)據(jù)一致性的一個(gè)算法，MongoDB采用了該算法來(lái)保證當(dāng)主節(jié)點(diǎn)故障或者網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的情況下，數(shù)據(jù)的一致性。當(dāng)然MongoDB用的和raft原版算法肯定會(huì)略有不同，MongoDB會(huì)采用Secondary向Primary拉數(shù)據(jù)，而不是Primary向Secondary推數(shù)據(jù)的方式來(lái)減輕Primary的壓力等等有利于數(shù)據(jù)庫(kù)操作的方式對(duì)raft進(jìn)行改進(jìn)使用。

raft算法動(dòng)畫(huà)演示

http://thesecretlivesofdata.com/raft/

2.3 關(guān)于超大規(guī)模復(fù)制集(集群)

{ 
   "_id" : <num>, 
   "host" : <hostname:port>, 
   "arbiterOnly" : false, 
   "buildIndexes" : true, 
   "hidden" : false, 
   "priority" : 0,  // 設(shè)置為0 
   "tags" : { 
 
 
   }, 
   "slaveDelay" : NumberLong(0), 
   "votes" : 0  // 設(shè)置為0 
} 

MongoDB最多允許50個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是最多只有7個(gè)節(jié)點(diǎn)有投票權(quán)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以配置7個(gè)無(wú)投票權(quán)的Non-Voting節(jié)點(diǎn)，加上一個(gè)Primary節(jié)點(diǎn)。

為什么只能允許存在7個(gè)投票節(jié)點(diǎn)呢?參考2.2小節(jié)的raft算法，節(jié)點(diǎn)越多，投票時(shí)間越長(zhǎng)，選舉出來(lái)的Primary節(jié)點(diǎn)時(shí)間也就越長(zhǎng)，這個(gè)過(guò)程中我們是無(wú)法進(jìn)行寫(xiě)操作的，因?yàn)闆](méi)有主節(jié)點(diǎn)。

那么多非投票節(jié)點(diǎn)有什么用呢?大家應(yīng)該都聽(tīng)過(guò)MySQL的讀寫(xiě)分離吧，利用讀寫(xiě)分離來(lái)提高數(shù)據(jù)庫(kù)性能。 MongoDB這里其實(shí)也可以，Primary用來(lái)寫(xiě)，Secondary用來(lái)讀，可以給BI部門(mén)一個(gè)Secondary，給財(cái)務(wù)部門(mén)一個(gè)Secondary，給運(yùn)營(yíng)部門(mén)一個(gè)Secondary······

2.4 WriteConcern

既然我們的數(shù)據(jù)庫(kù)擁有至少超過(guò)三個(gè)節(jié)點(diǎn)(1Primary+2Secondary)，Secondary通過(guò)同步Primary的數(shù)據(jù)來(lái)保持一致性，那么當(dāng)我們寫(xiě)操作的時(shí)候，如何保證數(shù)據(jù)安全的落盤(pán)呢?

有以下幾種情況：

1. 寫(xiě)Primary成功，返回客戶端寫(xiě)成功，Secondary還未同步Primary的時(shí)候，Primary掛了，數(shù)據(jù)丟失!

2. 寫(xiě)Primary成功，數(shù)據(jù)同步一個(gè)Secondary成功，返回客戶端寫(xiě)成功。此時(shí)Primary掛了，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。但是恰好Primary與同步的Secondary同時(shí)掛了，數(shù)據(jù)丟失!

3. 寫(xiě)Primary成功，數(shù)據(jù)同步兩個(gè)Secondary成功，返回客戶端寫(xiě)成功。此時(shí)Primary掛了，數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。

我們對(duì)以上三種情況進(jìn)行分析：第一種情況有風(fēng)險(xiǎn)會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。第二種情況還是會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，但是數(shù)據(jù)丟失的概率大大降低。第三種情況是最安全的做法，但是節(jié)點(diǎn)數(shù)目多了，同步非常耗時(shí)，用戶需要等待的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一般不考慮。

MongoDB在這里推薦折衷方案就是使用Write Concern---在數(shù)據(jù)可靠性與效率之間的權(quán)衡!

db.products.insert( 
   { item: "envelopes", qty : 100, type: "Clasp" }, 
   { writeConcern: { w: "majority" , wtimeout: 5000 } }  // 設(shè)置writeConcern為majority，超時(shí)時(shí)間為5000毫秒 
) 

3.MongoDB分片

3.1 大規(guī)模數(shù)據(jù)是如何影響數(shù)據(jù)庫(kù)效率的?

數(shù)據(jù)庫(kù)的性能還與數(shù)據(jù)庫(kù)本身規(guī)模息息相關(guān)。拿關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)舉例：

• 查詢百萬(wàn)表和千萬(wàn)表甚至過(guò)億的表效率相差很大，查詢性能急劇惡化。
• 插入的時(shí)候創(chuàng)建索引可能會(huì)引起索引樹(shù)的調(diào)整與頁(yè)分裂。

3.2 面對(duì)海量數(shù)據(jù)如何提升數(shù)據(jù)讀寫(xiě)效率?

為了在海量數(shù)據(jù)中提升數(shù)據(jù)庫(kù)的效率，我們采用分而治之的思想，將大表拆成小表，大庫(kù)拆成小庫(kù)。

關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中我們常用分表分庫(kù)來(lái)解決：

• 例如將訂單庫(kù)分為在線庫(kù)和離線庫(kù)，近三個(gè)月是在線庫(kù)，遠(yuǎn)期的訂單數(shù)據(jù)放入離線庫(kù)，這樣在線庫(kù)的數(shù)據(jù)就大大減少，數(shù)據(jù)庫(kù)性能就得到了提升。
• 又例如當(dāng)我們的用戶量過(guò)多超過(guò)千萬(wàn)行記錄，單表查詢效率下降，我們將一張用戶表拆成多張用戶表，這個(gè)就是水平拆分。

MongoDB中我們是如何做的呢?

3.3 MongoDBSharding

MongoDB的分片

通過(guò)將同一個(gè)集合(Collection1)的數(shù)據(jù)按片鍵(shard keys)分到不同的分片(shard)上面，減少同一個(gè)數(shù)據(jù)文件上的數(shù)據(jù)量，已達(dá)到拆分?jǐn)?shù)據(jù)規(guī)模的目的。

Shard 優(yōu)勢(shì)：在線擴(kuò)容，動(dòng)態(tài)擴(kuò)容

Shard：用于存儲(chǔ)實(shí)際的數(shù)據(jù)塊，實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中一個(gè)shard server角色可由幾臺(tái)機(jī)器組個(gè)一個(gè)replica set承擔(dān)，防止主機(jī)單點(diǎn)故障。

Config Server：配置服務(wù)器 mongod實(shí)例，存儲(chǔ)了整個(gè)集群的元數(shù)據(jù)與配置，其中包括 chunk信息，在MongoDB 3.4中，配置服務(wù)器必須部署為一個(gè)副本集。

Mongos：mongos充當(dāng)查詢路由器，提供客戶端應(yīng)用程序和切分集群之間的接口。

服務(wù)器插入的數(shù)據(jù)通過(guò)Mongos路由到具體地址，這也是MongoDB的便利之處，不需要自己關(guān)注路由，也不需要使用第三方提供的中間件輔助路由，可靠，放心。

分片的負(fù)載均衡

當(dāng)我們的MongoDB 副本集變成分片集群后，隨著數(shù)據(jù)量的增長(zhǎng)，各個(gè)分片也會(huì)越來(lái)越大，這里就會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

1. 冷熱數(shù)據(jù)，某個(gè)分片數(shù)據(jù)量過(guò)大。

2. 數(shù)據(jù)總量大，分片集群的分片過(guò)大。

當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題(1)的時(shí)候，MongoDB的負(fù)載均衡器(Balancer)會(huì)自動(dòng)將大分片中的數(shù)據(jù)遷往小分片。注意這并不意味我們可以高枕無(wú)憂了，恰恰相反，我們應(yīng)該反思是不是自己片鍵選擇失誤而造成的數(shù)據(jù)不均勻!因?yàn)閷?duì)分片遷移也是消耗性能的，應(yīng)用服務(wù)器寫(xiě)一次到Shard B，然后Shard B重寫(xiě)到Shard C無(wú)形之中數(shù)據(jù)被寫(xiě)了兩次，這是極大的浪費(fèi)!

當(dāng)出現(xiàn)問(wèn)題(2)的時(shí)候，當(dāng)然是給過(guò)大的分片集合添加新的分片以此分?jǐn)偡制旱膲毫Α?/p>

注意：MongoDB分片雖然是可在線的，但是多少都會(huì)對(duì)正常的讀寫(xiě)操作性能有一定的影響，建議在非繁忙時(shí)間段進(jìn)行分片部署!

4.MongoDB文檔模型介紹

數(shù)據(jù)庫(kù)建模的挑戰(zhàn)在于平衡應(yīng)用的需要，適合該數(shù)據(jù)庫(kù)引擎發(fā)揮的結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)的檢索模式。當(dāng)我們?cè)O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)模型的時(shí)候，需要考慮應(yīng)用使用數(shù)據(jù)的情況(查詢，更新，和數(shù)據(jù)處理)以及該數(shù)據(jù)本身的結(jié)構(gòu)。

4.1 靈活的Schema

在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，必須按照確定的表結(jié)構(gòu)去插入數(shù)據(jù)。但是，由于MongoDB是文檔型數(shù)據(jù)庫(kù)，在插入數(shù)據(jù)的時(shí)候默認(rèn)并不對(duì)此做要求。其表現(xiàn)在于：

同一個(gè)集合中不同文檔不一定需要有相同的字段，并且字段類(lèi)型也可以不同。

在集合中改變文檔的結(jié)構(gòu)，例如增加一個(gè)字段，刪除一個(gè)字段，或者改變一個(gè)字段的類(lèi)型，只需要對(duì)該文檔更新即可。

4.2 舉例1:N模型設(shè)計(jì)

在電商業(yè)務(wù)中，一個(gè)用戶可能有多個(gè)收件人以及收件地址。在關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)中，我們需要建立聯(lián)系人表，地址表，并且將其關(guān)聯(lián)。但是在MongoDB中，我們只需要一個(gè)集合就能將此搞定!

數(shù)據(jù)關(guān)系如下：

// patron document 
{ 
   _id: "joe", 
   name: "Joe Bookreader" 
} 
 
 
// address documents 
{ 
   patron_id: "joe", // reference to patron document 
   street: "123 Fake Street", 
   city: "Faketon", 
   state: "MA", 
   zip: "12345" 
} 
 
 
{ 
   patron_id: "joe", 
   street: "1 Some Other Street", 
   city: "Boston", 
   state: "MA", 
   zip: "12345" 
} 

在MongoDB中我們可以這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)：

{ 
   "_id": "joe", 
   "name": "Joe Bookreader", 
   "addresses": [ 
                { 
                  "street": "123 Fake Street", 
                  "city": "Faketon", 
                  "state": "MA", 
                  "zip": "12345" 
                }, 
                { 
                  "street": "1 Some Other Street", 
                  "city": "Boston", 
                  "state": "MA", 
                  "zip": "12345" 
                } 
              ] 
 } 

沒(méi)錯(cuò)，以上就是集合中的一個(gè)document(文檔)，是不是感覺(jué)很靈活很方便!你可以在SKU集合中添加分類(lèi)信息，或者商品標(biāo)簽，還可以在庫(kù)存集合中冗余SKU的基本信息，還可以在訂單集合中冗余部分下單者信息···沒(méi)錯(cuò)，就是這么靈活!這也是我們選擇MongoDB的一個(gè)重要原因之一，讓開(kāi)發(fā)者的心智負(fù)擔(dān)少了很多，不需要成為SQL高手，你也能在MongoDB中寫(xiě)出性能優(yōu)異的查詢語(yǔ)句。

當(dāng)然冗余一時(shí)爽，重構(gòu)火葬場(chǎng)的段子也不是沒(méi)聽(tīng)過(guò)，因?yàn)檫^(guò)多的冗余最終會(huì)造成數(shù)據(jù)的過(guò)于臃腫，性能降低等各種問(wèn)題，這個(gè)要控制住開(kāi)發(fā)者的冗余沖動(dòng)，也依賴于團(tuán)隊(duì)技術(shù)Leader對(duì)此的把關(guān)。

總結(jié)

互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不是一成不變的，產(chǎn)品和用戶的需求還有市場(chǎng)都一直在變!我們沒(méi)有技術(shù)實(shí)力打造一個(gè)能夠適應(yīng)靈活多變的業(yè)務(wù)的中臺(tái)，但是目前我們可以選擇一個(gè)可靠，強(qiáng)大并且靈活的數(shù)據(jù)庫(kù) -- MongoDB!

作者：唐銀鵬

開(kāi)源愛(ài)好者、Gopher。

從事電商、IM系統(tǒng) 深度研發(fā)，MongoDB愛(ài)好者，公眾號(hào)《從菜鳥(niǎo)到大佬》作者。

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「 Mongoing中文社區(qū)」，可以通過(guò)以下二維碼關(guān)注。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系 Mongoing中文社區(qū)公眾號(hào)。