思考:MongoDB为什么会使用BSON?
JSON是当今非常通用的一种跨语言Web数据交互格式,属于ECMAScript标准规范的一个子集。JSON(JavaScript Object Notation, JS对象简谱)即JavaScript对象表示法,它是JavaScript对象的一种文本表现形式。
作为一种轻量级的数据交换格式,JSON的可读性非常好,而且非常便于系统生成和解析,这些优势也让它逐渐取代了XML标准在Web领域的地位,当今许多流行的Web应用开发框架,如SpringBoot都选择了JSON作为默认的数据编/解码格式。
JSON只定义了6种数据类型:
大多数情况下,使用JSON作为数据交互格式已经是理想的选择,但是JSON基于文本的解析效率并不是最好的,在某些场景下往往会考虑选择更合适的编/解码格式,一些做法如:
BSON由10gen团队设计并开源,目前主要用于MongoDB数据库。BSON(Binary JSON)是二进制版本的JSON,其在性能方面有更优的表现。BSON在许多方面和JSON保持一致,其同样也支持内嵌的文档对象和数组结构。二者最大的区别在于JSON是基于文本的,而BSON则是二进制(字节流)编/解码的形式。在空间的使用上,BSON相比JSON并没有明显的优势。
MongoDB在文档存储、命令协议上都采用了BSON作为编/解码格式,主要具有如下优势:
BSON的数据类型
MongoDB中,一个BSON文档最大大小为16M,文档嵌套的级别不超过100
https://docs.mongodb.com/v4.4/reference/bson-types/
Type | Number | Alias | Notes |
---|---|---|---|
Double | 1 | “double” | |
String | 2 | “string” | |
Object | 3 | “object” | |
Array | 4 | “array” | |
Binary data | 5 | “binData” | 二进制数据 |
Undefined | 6 | “undefined” | Deprecated. |
ObjectId | 7 | “objectId” | 对象ID,用于创建文档ID |
Boolean | 8 | “bool” | |
Date | 9 | “date” | |
Null | 10 | “null” | |
Regular Expression | 11 | “regex” | 正则表达式 |
DBPointer | 12 | “dbPointer” | Deprecated. |
JavaScript | 13 | “javascript” | |
Symbol | 14 | “symbol” | Deprecated. |
JavaScript code with scope | 15 | “javascriptWithScope” | Deprecated in MongoDB 4.4. |
32-bit integer | 16 | “int” | |
Timestamp | 17 | “timestamp” | |
64-bit integer | 18 | “long” | |
Decimal128 | 19 | “decimal” | New in version 3.4. |
Min key | -1 | “minKey” | 表示一个最小值 |
Max key | 127 | “maxKey” | 表示一个最大值 |
t y p e 操作符 < b r / > type操作符
type操作符<br/>type操作符基于BSON类型来检索集合中匹配的数据类型,并返回结果。
db.books.find({"title" : {$type : 2}})
//或者
db.books.find({"title" : {$type : "string"}})
db.dates.insert([{data1:Date()},{data2:new Date()},{data3:ISODate()}])
db.dates.find().pretty()
使用new Date与ISODate最终都会生成ISODate类型的字段(对应于UTC时间)
MongoDB集合中所有的文档都有一个唯一的_id字段,作为集合的主键。在默认情况下,_id字段使用ObjectId类型,采用16进制编码形式,共12个字节。
为了避免文档的_id字段出现重复,ObjectId被定义为3个部分:
大多数客户端驱动都会自行生成这个字段,比如MongoDB Java Driver会根据插入的文档是否包含_id字段来自动补充ObjectId对象。这样做不但提高了离散性,还可以降低MongoDB服务器端的计算压力。在ObjectId的组成中,5字节的随机数并没有明确定义,客户端可以采用机器号、进程号来实现:
属性/方法 | 描述 |
---|---|
str | 返回对象的十六进制字符串表示。 |
ObjectId.getTimestamp() | 将对象的时间戳部分作为日期返回。 |
ObjectId.toString() | 以字符串文字“”的形式返回 JavaScript 表示ObjectId(…)。 |
ObjectId.valueOf() | 将对象的表示形式返回为十六进制字符串。返回的字符串是str属性。 |
生成一个新的 ObjectId
x = ObjectId()
一个文档中可以包含作者的信息,包括作者名称、性别、家乡所在地,一个显著的优点是,当我们查询book文档的信息时,作者的信息也会一并返回。
db.books.insert({
title: "撒哈拉的故事",
author: {
name:"三毛",
gender:"女",
hometown:"重庆"
}
})
查询三毛的作品
db.books.find({"author.name":"三毛"})
修改三毛的家乡所在地
db.books.updateOne({"author.name":"三毛"},{$set:{"author.hometown":"重庆/台湾"}})
除了作者信息,文档中还包含了若干个标签,这些标签可以用来表示文档所包含的一些特征,如豆瓣读书中的标签(tag)
增加tags标签
db.books.updateOne({"author.name":"三毛"},{$set:{tags:["旅行","随笔","散文","爱情","文学"]}})
# 会查询到所有的tags
db.books.find({"author.name":"三毛"},{title:1,tags:1})
#利用$slice获取最后一个tag
db.books.find({"author.name":"三毛"},{title:1,tags:{$slice:-1}})
$silice是一个查询操作符,用于指定数组的切片方式
db.books.updateOne({"author.name":"三毛"},{$push:{tags:"猎奇"}})
p u s h 操作符可以配合其他操作符,一起实现不同的数组修改操作,比如和 push操作符可以配合其他操作符,一起实现不同的数组修改操作,比如和 push操作符可以配合其他操作符,一起实现不同的数组修改操作,比如和each操作符配合可以用于添加多个元素
db.books.updateOne({"author.name":"三毛"},{$push:{tags:{$each:["伤感","想象力"]}}})
如果加上$slice操作符,那么只会保留经过切片后的元素
db.books.updateOne({"author.name":"三毛"},{$push:{tags:{$each:["伤感","想象力"],$slice:-3}}})
#会查出所有包含伤感的文档
db.books.find({tags:"伤感"})
# 会查出所有同时包含"伤感","想象力"的文档
db.books.find({tags:{$all:["伤感","想象力"]}})
数组元素可以是基本类型,也可以是内嵌的文档结构
{
tags:[
{tagKey:xxx,tagValue:xxxx},
{tagKey:xxx,tagValue:xxxx}
]
}
db.goods.insertMany([{
name:"羽绒服",
tags:[
{tagKey:"size",tagValue:["M","L","XL","XXL","XXXL"]},
{tagKey:"color",tagValue:["黑色","宝蓝"]},
{tagKey:"style",tagValue:"韩风"}
]
},{
name:"羊毛衫",
tags:[
{tagKey:"size",tagValue:["L","XL","XXL"]},
{tagKey:"color",tagValue:["蓝色","杏色"]},
{tagKey:"style",tagValue:"韩风"}
]
}])
以上的设计是一种常见的多值属性的做法,当我们需要根据属性进行检索时,需要用到$elementMatch操作符:
#筛选出color=黑色的商品信息
db.goods.find({
tags:{
$elemMatch:{tagKey:"color",tagValue:"黑色"}
}
})
如果进行组合式的条件检索,则可以使用多个$elemMatch操作符:
# 筛选出color=蓝色,并且size=XL的商品信息
db.goods.find({
tags:{
$all:[
{$elemMatch:{tagKey:"color",tagValue:"黑色"}},
{$elemMatch:{tagKey:"size",tagValue:"XL"}}
]
}
})
固定集合(capped collection)是一种限定大小的集合,其中capped是覆盖、限额的意思。跟普通的集合相比,数据在写入这种集合时遵循FIFO原则。可以将这种集合想象为一个环状的队列,新文档在写入时会被插入队列的末尾,如果队列已满,那么之前的文档就会被新写入的文档所覆盖。通过固定集合的大小,我们可以保证数据库只会存储“限额”的数据,超过该限额的旧数据都会被丢弃。
使用示例
db.createCollection("logs",{capped:true,size:4096,max:10})
这两个参数会同时对集合的上限产生影响。也就是说,只要任一条件达到阈值都会认为集合已经写满。其中size是必选的,而max则是可选的。
可以使用collection.stats命令查看文档的占用空间
db.logs.stats()
测试
尝试在这个集合中插入15条数据,再查询会发现,由于文档数量上限被设定为10条,前面插入的5条数据已经被覆盖了
for(var i=0;i<15;i++){
db.logs.insert({t:"row-"+i})
}
固定集合在底层使用的是顺序I/O操作,而普通集合使用的是随机I/O。顺序I/O在磁盘操作上由于寻道次数少而比随机I/O要高效得多,因此固定集合的写入性能是很高的。此外,如果按写入顺序进行数据读取,也会获得非常好的性能表现。
但它也存在一些限制,主要有如下5个方面:
固定集合很适合用来存储一些“临时态”的数据。“临时态”意味着数据在一定程度上可以被丢弃。同时,用户还应该更关注最新的数据,随着时间的推移,数据的重要性逐渐降低,直至被淘汰处理。
一些适用的场景如下:
在股票实时系统中,大家往往最关心股票价格的变动。而应用系统中也需要根据这些实时的变化数据来分析当前的行情。倘若将股票的价格变化看作是一个事件,而股票交易所则是价格变动事件的“发布者”,股票APP、应用系统则是事件的“消费者”。这样,我们就可以将股票价格的发布、通知抽象为一种数据的消费行为,此时往往需要一个消息队列来实现该需求。
结合业务场景: 利用固定集合实现存储股票价格变动信息的消息队列
1. 创建stock_queue消息队列,其可以容纳10MB的数据
db.createCollection("stock_queue",{capped:true,size:10485760})
db.createCollection("stock_queue",{capped:true,size:10485760})
为了能支持按时间条件进行快速的检索,比如查询某个时间点之后的数据,可以为timestamp添加索引
db.stock_queue.createIndex({timestamped:1})
function pushEvent(){
while(true){
db.stock_queue.insert({
timestamped:new Date(),
stock: "MongoDB Inc",
price: 100*Math.random(1000)
});
print("publish stock changed");
sleep(1000);
}
}
执行pushEvent函数,此时客户端会每隔1秒向stock_queue中写入一条股票信息
pushEvent()
4. 构建消费者,监听股票动态
对于消费方来说,更关心的是最新数据,同时还应该保持持续进行“拉取”,以便知晓实时发生的变化。根据这样的逻辑,可以实现一个listen函数
function listen(){
var cursor = db.stock_queue.find({timestamped:{$gte:new Date()}}).tailable();
while(true){
if(cursor.hasNext()){
print(JSON.stringify(cursor.next(),null,2));
}
sleep(1000);
}
}
find操作的查询条件被指定为仅查询比当前时间更新的数据,而由于采用了读取游标的方式,因此游标在获取不到数据时并不会被关闭,这种行为非常类似于Linux中的tail-f命令。在一个循环中会定时检查是否有新的数据产生,一旦发现新的数据(cursor.hasNext()=true),则直接将数据打印到控制台。
执行这个监听函数,就可以看到实时发布的股票信息
listen()
MongoDB从3.0开始引入可插拔存储引擎的概念。目前主要有MMAPV1、WiredTiger存储引擎可供选择。在3.22源的消耗,节省约60%以上的硬盘资源;
理想情况下,MongoDB可以提供近似内存式的读写性能。WiredTiger引擎实现了数据的二级缓存,第一层是操作系统的页面缓存,第二层则是引擎提供的内部缓存。
读取数据时的流程如下:
MongoDB为了尽可能保证业务查询的“热数据”能快速被访问,其内部缓存的默认大小达到了内存的一半,该值由wiredTigerCacheSize参数指定,其默认的计算公式如下:
wiredTigerCacheSize=Math.max(0.5*(RAM-1GB),256MB)
当数据发生写入时,MongoDB并不会立即持久化到磁盘上,而是先在内存中记录这些变更,之后通过CheckPoint机制将变化的数据写入磁盘。为什么要这么处理?主要有以下两个原因:
思考:MongoDB会丢数据吗?
MongoDB单机下保证数据可靠性的机制包括以下两个部分:
Journal日志的刷新周期可以通过参数storage.journal.commitIntervalMs指定,MongoDB 3.4及以下版本的默认值是50ms,而3.6版本之后调整到了100ms。由于Journal日志采用的是顺序I/O写操作,频繁地写入对磁盘的影响并不是很大。
CheckPoint的刷新周期可以调整storage.syncPeriodSecs参数(默认值60s),在MongoDB 3.4及以下版本中,当Journal日志达到2GB时同样会触发CheckPoint行为。如果应用存在大量随机写入,则CheckPoint可能会造成磁盘I/O的抖动。在磁盘性能不足的情况下,问题会更加显著,此时适当缩短CheckPoint周期可以让写入平滑一些。