Mongodb存储特性与内部原理
一、存储引擎（Storage）
mongodb 3.0默认存储引擎为MMAPV1，还有一个新引擎wiredTiger可选，或许可以提高一定的性能。
mongodb中有多个databases，每个database可以创建多个collections，collection是底层数据分区（partition）的单位，每个collection都有多个底层的数据文件组成。（参见下文data files存储原理）
wiredTiger引擎：3.0新增引擎，官方宣称在read、insert和复杂的update下具有更高的性能。所以后续版本，我们建议使用wiredTiger。所有的write请求都基于“文档级别”的lock，因此多个客户端可以同时更新一个colleciton中的不同文档，这种更细颗粒度的lock，可以支撑更高的读写负载和并发量。因为对于production环境，更多的CPU可以有效提升wireTiger的性能，因为它是的IO是多线程的。wiredTiger不像MMAPV1引擎那样尽可能的耗尽内存，它可以通过在配置文件中指定“cacheSizeGB”参数设定引擎使用的内存量，此内存用于缓存工作集数据（索引、namespace，未提交的write，query缓冲等）。
journal就是一个预写事务日志，来确保数据的持久性，wiredTiger每隔60秒（默认）或者待写入的数据达到2G时，mongodb将对journal文件提交一个checkpoint（检测点，将内存中的数据变更flush到磁盘中的数据文件中，并做一个标记点，表示此前的数据表示已经持久存储在了数据文件中，此后的数据变更存在于内存和journal日志）。对于write操作，首先被持久写入journal，然后在内存中保存变更数据，条件满足后提交一个新的检测点，即检测点之前的数据只是在journal中持久存储，但并没有在mongodb的数据文件中持久化，延迟持久化可以提升磁盘效率，如果在提交checkpoint之前，mongodb异常退出，此后再次启动可以根据journal日志恢复数据。journal日志默认每个100毫秒同步磁盘一次，每100M数据生成一个新的journal文件，journal默认使用了snappy压缩，检测点创建后，此前的journal日志即可清除。mongod可以禁用journal，这在一定程度上可以降低它带来的开支；对于单点mongod，关闭journal可能会在异常关闭时丢失checkpoint之间的数据（那些尚未提交到磁盘数据文件的数据）；对于replica set架构，持久性的保证稍高，但仍然不能保证绝对的安全（比如replica set中所有节点几乎同时退出时）。
MMAPv1引擎：mongodb原生的存储引擎，比较简单，直接使用系统级的内存映射文件机制（memory mapped files），一直是mongodb的默认存储引擎，对于insert、read和in-place update（update不导致文档的size变大）性能较高；不过MMAPV1在lock的并发级别上，支持到collection级别，所以对于同一个collection同时只能有一个write操作执行，这一点相对于wiredTiger而言，在write并发性上就稍弱一些。对于production环境而言，较大的内存可以使此引擎更加高效，有效减少“page fault”频率，但是因为其并发级别的限制，多核CPU并不能使其受益。此引擎将不会使用到swap空间，但是对于wiredTiger而言需要一定的swap空间。（核心：对于大文件MAP操作，比较忌讳的就是在文件的中间修改数据，而且导致文件长度增长，这会涉及到索引引用的大面积调整）
为了确保数据的安全性，mongodb将所有的变更操作写入journal并间歇性的持久到磁盘上，对于实际数据文件将延迟写入，和wiredTiger一样journal也是用于数据恢复。所有的记录在磁盘上连续存储，当一个document尺寸变大时，mongodb需要重新分配一个新的记录（旧的record标记删除，新的记record在文件尾部重新分配空间），这意味着mongodb同时还需要更新此文档的索引（指向新的record的offset），与in-place update相比，将消耗更多的时间和存储开支。由此可见，如果你的mongodb的使用场景中有大量的这种update，那么或许MMAPv1引擎并不太适合，同时也反映出如果document没有索引，是无法保证document在read中的顺序（即自然顺序）。3.0之后，mongodb默认采用“Power of 2 Sized Allocations”，所以每个document对应的record将有实际数据和一些padding组成，这padding可以允许document的尺寸在update时适度的增长，以最小化重新分配record的可能性。此外重新分配空间，也会导致磁盘碎片（旧的record空间）。
Power of 2 Sized Allocations：默认情况下，MMAPv1中空间分配使用此策略，每个document的size是2的次幂，比如32、64、128、256...2MB，如果文档尺寸大于2MB，则空间为2MB的倍数（2M,4M,6M等）。这种策略有2种优势，首先那些删除或者update变大而产生的磁盘碎片空间（尺寸变大，意味着开辟新空间存储此document，旧的空间被mark为deleted）可以被其他insert重用，再者padding可以允许文档尺寸有限度的增长，而无需每次update变大都重新分配空间。此外，mongodb还提供了一个可选的“No padding Allocation”策略（即按照实际数据尺寸分配空间），如果你确信数据绝大多数情况下都是insert、in-place update，极少的delete，此策略将可以有效的节约磁盘空间，看起来数据更加紧凑，磁盘利用率也更高。
备注：mongodb 3.2+之后，默认的存储引擎为“wiredTiger”，大量优化了存储性能，建议升级到3.2+版本。
二、Capped Collections：一种特殊的collection，其尺寸大小是固定值，类似于一个可循环使用的buffer，如果空间被填满之后，新的插入将会覆盖最旧的文档，我们通常不会对Capped进行删除或者update操作，所以这种类型的collection能够支撑较高的write和read，通常情况下我们不需要对这种collection构建索引，因为insert是append（insert的数据保存是严格有序的）、read是iterator方式，几乎没有随机读；在replica set模式下，其oplog就是使用这种colleciton实现的。 Capped Collection的设计目的就是用来保存“最近的”一定尺寸的document。
db.createCollection("capped_collections",new CreateCollectionOptions()
.capped(true)
.maxDocuments(6552350)
.usePowerOf2Sizes(false).autoIndex(true));//不会涉及到更新，所以可以不用power of 2Capped Collection在语义上，类似于“FIFO”队列，而且是有界队列。适用于数据缓存，消息类型的存储。Capped支持update，但是我们通常不建议，如果更新导致document的尺寸变大，操作将会失败，只能使用in-place update，而且还需要建立合适的索引。在capped中使用remove操作是允许的。autoIndex属性表示默认对_id字段建立索引，我们推荐这么做。在上文中我们提到了Tailable Cursor，就是为Capped而设计的，效果类似于“tail -f ”。
三、数据模型（Data Model）
上文已经描述过，mongodb是一个模式自由的NOSQL，不像其他RDBMS一样需要预先定义Schema而且所有的数据都“整齐划一”，mongodb的document是BSON格式，松散的，原则上说任何一个Colleciton都可以保存任意结构的document，甚至它们的格式千差万别，不过从应用角度考虑，包括业务数据分类和查询优化机制等，我们仍然建议每个colleciton中的document数据结构应该比较接近。
对于有些update，比如对array新增元素等，会导致document尺寸的增加，无论任何存储系统包括MYSQL、Hbase等，对于这种情况都需要额外的考虑，这归结于磁盘空间的分配是连续的（连续意味着读取性能将更高，存储文件空间通常是预分配固定尺寸，我们需要尽可能的利用磁盘IO的这种优势）。对于MMAPV1引擎，如果文档尺寸超过了原分配的空间（上文提到Power of 2 Allocate），mongodb将会重新分配新的空间来保存整个文档（旧文档空间回收，可以被后续的insert重用）。
document模型的设计与存储，需要兼顾应用的实际需要，否则可能会影响性能。mongodb支持内嵌document，即document中一个字段的值也是一个document，可以形成类似于RDBMS中的“one-to-one”、“one-to-many”，只需要对reference作为一个内嵌文档保存即可。这种情况就需要考虑mongodb存储引擎的机制了，如果你的内嵌文档（即reference文档）尺寸是动态的，比如一个user可以有多个card，因为card数量无法预估，这就会导致document的尺寸可能不断增加以至于超过“Power of 2 Allocate”，从而触发空间重新分配，带来性能开销，这种情况下，我们需要将内嵌文档单独保存到一个额外的collection中，作为一个或者多个document存储，比如把card列表保存在card collection中。“one-to-one”的情况也需要个别考虑，如果reference文档尺寸较小，可以内嵌，如果尺寸较大，建议单独存储。此外内嵌文档还有个优点就是write的原子性，如果使用reference的话，就无法保证了。
索引：提高查询性能，默认情况下_id字段会被创建唯一索引；因为索引不仅需要占用大量内存而且也会占用磁盘，所以我们需要建立有限个索引，而且最好不要建立重复索引；每个索引需要8KB的空间，同时update、insert操作会导致索引的调整，会稍微影响write的性能，索引只能使read操作收益，所以读写比高的应用可以考虑建立索引。
大集合拆分：比如一个用于存储log的collection，log分为有两种“dev”、“debug”，结果大致为{"log":"dev","content":"...."},{"log":"debug","content":"....."}。这两种日志的document个数比较接近，对于查询时，即使给log字段建立索引，这个索引也不是高效的，所以可以考虑将它们分别放在2个Collection中，比如：log_dev和log_debug。
数据生命周期管理：mongodb提供了expire机制，即可以指定文档保存的时长，过期后自动删除，即TTL特性，这个特性在很多场合将是非常有用的，比如“验证码保留15分钟有效期”、“消息保存7天”等等，mongodb会启动一个后台线程来删除那些过期的document。需要对一个日期字段创建“TTL索引”，比如插入一个文档：{"check_code":"101010",$currentDate:{"created":true}}}，其中created字段默认值为系统时间Date；然后我们对created字段建立TTL索引：
collection.createIndex(new Document("created",1),new IndexOptions().expireAfter(15L,TimeUnit.MILLISECONDS));//15分钟我们向collection中insert文档时，created的时间为系统当前时间，其中在creatd字段上建立了“TTL”索引，索引TTL为15分钟，mongodb后台线程将会扫描并检测每条document的（created时间 + 15分钟）与当前时间比较，如果发现过期，则删除索引条目（连带删除document）。
某些情况下，我们可能需要实现“在某个指定的时刻过期”，我们只需要将上述文档和索引变通改造即可，即created指定为“目标时间”，expiredAfter指定为0。
四、架构模式
Replica set：复制集，mongodb的架构方式之一 ，通常是三个对等的节点构成一个“复制集”集群，有“primary”和secondary等多中角色（稍后详细介绍），其中primary负责读写请求，secondary可以负责读请求，这有配置决定，其中secondary紧跟primary并应用write操作；如果primay失效，则集群进行“多数派”选举，选举出新的primary，即failover机制，即HA架构。复制集解决了单点故障问题，也是mongodb垂直扩展的最小部署单位，当然sharding cluster中每个shard节点也可以使用Replica set提高数据可用性。
Sharding cluster：分片集群，数据水平扩展的手段之一；replica set这种架构的缺点就是“集群数据容量”受限于单个节点的磁盘大小，如果数据量不断增加，对它进行扩容将时非常苦难的事情，所以我们需要采用Sharding模式来解决这个问题。将整个collection的数据将根据sharding key被sharding到多个mongod节点上，即每个节点持有collection的一部分数据，这个集群持有全部数据，原则上sharding可以支撑数TB的数据。
系统配置：1）建议mongodb部署在linux系统上，较高版本，选择合适的底层文件系统（ext4），开启合适的swap空间 2）无论是MMAPV1或者wiredTiger引擎，较大的内存总能带来直接收益。3）对数据存储文件关闭“atime”（文件每次access都会更改这个时间值，表示文件最近被访问的时间），可以提升文件访问效率。 4）ulimit参数调整，这个在基于网络IO或者磁盘IO操作的应用中，通常都会调整，上调系统允许打开的文件个数（ulimit -n 65535）。
五、数据文件存储原理（Data Files storage，MMAPV1引擎）
1、Data Files
mongodb的数据将会保存在底层文件系统中，比如我们dbpath设定为“/data/db”目录，我们创建一个database为“test”，collection为“sample”，然后在此collection中插入数条documents。我们查看dbpath下生成的文件列表：
> ls -lh -rw------- 1 mongo mongo 16M 11 6 17:24 test.0 -rw------- 1 mongo mongo 32M 11 6 17:24 test.1 -rw------- 1 mongo mongo 64M 11 6 17:24 test.2 -rw------- 1 mongo mongo 128M 11 6 17:24 test.3 -rw------- 1 mongo mongo 256M 11 6 17:24 test.4 -rw------- 1 mongo mongo 512M 11 6 17:24 test.5 -rw------- 1 mongo mongo 512M 11 6 17:24 test.6 -rw------- 1 mongo mongo 16M 11 6 17:24 test.ns
可以看到test这个数据库目前已经有6个数据文件（data files），每个文件以“database”的名字 + 序列数字组成，序列号从0开始，逐个递增，数据文件从16M开始，每次扩张一倍（16M、32M、64M、128M...），在默认情况下单个data file的最大尺寸为2G，如果设置了smallFiles属性（配置文件中）则最大限定为512M；mongodb中每个database最多支持16000个数据文件，即约32T，如果设置了smallFiles则单个database的最大数据量为8T。如果你的database中的数据文件很多，可以使用directoryPerDB配置项将每个db的数据文件放置在各自的目录中。当最后一个data file有数据写入后，mongodb将会立即预分配下一个data file，可以通过“--nopreallocate”启动命令参数来关闭此选项。
一个database中所有的collections以及索引信息会分散存储在多个数据文件中，即mongodb并没有像SQL数据库那样，每个表的数据、索引分别存储；数据分块的单位为extent（范围，区域），即一个data file中有多个extents组成，extent中可以保存collection数据或者indexes数据，一个extent只能保存同一个collection数据，不同的collections数据分布在不同的extents中，indexes数据也保存在各自的extents中；最终，一个collection有一个或者多个extents构成，最小size为8K，最大可以为2G，依次增大；它们分散在多个data files中。对于一个data file而言，可能包含多个collection的数据，即有多个不同collections的extents、index extents混合构成。每个extent包含多条documents（或者index entries），每个extent的大小可能不相等，但一个extent不会跨越2个data files。
有人肯定疑问：一个collection中有哪些extents，这种信息mongodb存在哪里？在每个database的namespace文件中，比如test.ns文件中，每个collection只保存了第一个extent的位置信息，并不保存所有的extents列表，但每个extent都维护者一个链表关系，即每个extent都在其header信息中记录了此extent的上一个、下一个extent的位置信息，这样当对此collection进行scan操作时（比如全表扫描），可以提供很大的便利性。
我们可以通过db.stats()指令查看当前database中extents的信息：
> use test
switched to db test
> db.stats();
{
"db" : "test",
"collections" : 3, ##collection的个数
"objects" : 1000006, ##documents总条数
"avgObjSize" : 495.9974400153599, ##record的平均大小，单位byte
"dataSize" : 496000416, ##document所占空间的总量
"storageSize" : 629649408, ##
"numExtents" : 18, ##extents个数
"indexes" : 2,
"indexSize" : 108282944,
"fileSize" : 1006632960,
"nsSizeMB" : 16, ##namespace文件大小
"extentFreeList" : { ##尚未使用（已分配尚未使用、已删除但尚未被重用）的extent列表
"num" : 0,
"totalSize" : 0
},
"dataFileVersion" : {
"major" : 4,
"minor" : 22
},
"ok" : 1
}列表信息中有几个字段简单介绍一下：
1） dataSize：documents所占的空间总量，mongodb将会为每个document分配一定空间用于保存数据，每个document所占空间包括“文档实际大小” + “padding”，对于MMAPV1引擎，mongodb默认采用了“Power of 2 Sized Allocations”策略，这也意味着通常会有padding，不过如果你的document不会被update（或者update为in-place方式，不会导致文档尺寸变大），可以在在createCollection是指定noPadding属性为true，这样dataSize的大小就是documents实际大小；当documents被删除后，将导致dataSize减小；不过如果在原有document的空间内（包括其padding空间）update（或者replace），则不会导致dataSize的变大，因为mongodb并没有分配任何新的document空间。
2）storageSize：所有collection的documents占用总空间，包括那些已经删除的documents所占的空间，为存储documents的extents所占空间总和。文档的删除或者收缩不会导致storageSize变小。
3）indexSize：所用collection的索引数据的大小，为存储indexes的extents所占空间的总和。
4）fileSize：为底层所有data files的大小总和，但不包括namespace文件。为storageSize、indexSize、以及一些尚未使用的空间等等。当删除database、collections时会导致此值变小。
此外，如果你想查看一个collection中extents的分配情况，可以使用db.<collection名称>.stats()，结构与上述类似；如果你希望更细致的了解collection中extents的全部信息，则可以使用db.<collection名称>.validate()，此方法接收一个boolean值，表示是否查看明细，这个指令会scan全部的data files，因此比较耗时：
> db.sample.validate(true);
{
"ns" : "test.sample",
"datasize" : 496000000,
"nrecords" : 1000000,
"lastExtentSize" : 168742912,
"firstExtent" : "0:5000 ns:test.sample",
"lastExtent" : "3:a05f000 ns:test.sample",
"extentCount" : 16,
"extents" : [
{
"loc" : "0:5000",
"xnext" : "0:49000",
"xprev" : "null",
"nsdiag" : "test.sample",
"size" : 8192,
"firstRecord" : "0:50b0",
"lastRecord" : "0:6cb0"
},
...
]
...
}可以看到extents在逻辑上是链表形式，以及每个extent的数据量、以及所在data file的offset位置。具体参见【validate方法】
从上文中我们已经得知，删除document会导致磁盘碎片，有些update也会导致磁盘碎片，比如update导致文档尺寸变大，进而超过原来分配的空间；当有新的insert操作时，mongodb会检测现有的extents中是否合适的碎片空间可以被重用，如果有，则重用这些fragment，否则分配新的存储空间。磁盘碎片，对write操作有一定的性能影响，而且会导致磁盘空间浪费；如果你需要删除某个collection中大部分数据，则可以考虑将有效数据先转存到新的collection，然后直接drop()原有的collection。或者使用db.runCommand({compact: '<collection>'})。
如果你的database已经运行一段时间，数据已经有很大的磁盘碎片（storageSize与dataSize比较），可以通过mongodump将指定database的所有数据导出，然后将原有的db删除，再通过mongorestore指令将数据重新导入。（同compact，这种操作需要停机维护）
mongod中还有2个默认的database，系统级的，“admin”和“local”；它们的存储原理同上，其中“admin”用于存储“用户授权信息”，比如每个database中用户的role、权限等；“local”即为本地数据库，我们常说的oplog（replication架构中使用，类似与binlog）即保存在此数据库中。
2、Namespace文件
对于namespace文件，比如“test.ns”文件，默认大小为16M，此文件中主要用于保存“collection”、index的命名信息，比如collection的“属性”信息、每个索引的属性类型等，如果你的database中需要存储大量的collection（比如每一小时生成一个collection，在数据分析应用中），那么我们可以通过配置文件“nsSize”选项来指定。参见【mongodb配置文件】
3、journal文件
journal日志为mongodb提供了数据保障能力，它本质上与mysql binlog没有太大区别，用于当mongodb异常crash后，重启时进行数据恢复；这归结于mongodb的数据持久写入磁盘是滞后的。默认情况下，“journal”特性是开启的，特别在production环境中，我们没有理由来关闭它。（除非，数据丢失对应用而言，是无关紧要的）
一个mongodb实例中所有的databases共享journal文件。
对于write操作而言，首先写入journal日志，然后将数据在内存中修改（mmap），此后后台线程间歇性的将内存中变更的数据flush到底层的data files中，时间间隔为60秒（参见配置项“syncPeriodSecs”）；write操作在journal文件中是有序的，为了提升性能，write将会首先写入journal日志的内存buffer中，当buffer数据达到100M或者每隔100毫秒，buffer中的数据将会flush到磁盘中的journal文件中；如果mongodb异常退出，将可能导致最多100M数据或者最近100ms内的数据丢失，flush磁盘的时间间隔有配置项“commitIntervalMs”决定，默认为100毫秒。mongodb之所以不能对每个write都将journal同步磁盘，这也是对性能的考虑，mysql的binlog也采用了类似的权衡方式。开启journal日志功能，将会导致write性能有所降低，可能降低5~30%，因为它直接加剧了磁盘的写入负载，我们可以将journal日志单独放置在其他磁盘驱动器中来提高写入并发能力（与data files分别使用不同的磁盘驱动器）。
如果你希望数据尽可能的不丢失，可以考虑：1）减小commitIntervalMs的值 2）每个write指定“write concern”中指定“j”参数为true 3）最佳手段就是采用“replica set”架构模式，通过数据备份方式解决，同时还需要在“write concern”中指定“w”选项，且保障级别不低于“majority”。【参见mongodb复制集】最终我们需要在“写入性能”和“数据一致性”两个方面权衡，即CAP理论。
根据write并发量，journal日志文件为1G，如果指定了smallFiles配置项，则最大为128M，和data files一样journal文件也采用了“preallocated”方式，journal日志保存在dbpath下“journal”子目录中，一般会有三个journal文件，每个journal文件格式类似于“j._<序列数字>”。并不是每次buffer flush都生成一个新的journal日志，而是当前journal文件即将满时会预创建一个新的文件，journal文件中保存了write操作的记录，每条记录中包含write操作内容之外，还包含一个“lsn”（last sequence number），表示此记录的ID；此外我们会发现在journal目录下，还有一个“lsn”文件，这个文件非常小，只保存了一个数字，当write变更的数据被flush到磁盘中的data files后，也意味着这些数据已经持久化了，那么它们在“异常恢复”时也不需要了，那么其对应的journal日志将可以删除，“lsn”文件中记录的就是write持久化的最后一个journal记录的ID，此ID之前的write操作已经被持久写入data files，此ID之前的journal在“异常恢复”时则不需要关注；如果某个journal文件中最大 ID小于“lsn”，则此journal可以被删除或者重用。
参考文献：
1）http://blog.mongolab.com/2014/01/how-big-is-your-mongodb/
2）https://docs.mongodb.org/manual/faq/storage/
3）https://objectrocket.com/blog/how-to/understanding-mongodb-space-usage
4）附件中的“storage-talk-mongodb.pdf”
部分文档中可能有一些错误，本文给予纠正。