本文来自中生代技术群talk show“深入浅出理解MongoDB的设计与实现”总结稿。MongoDB是NoSQL的一种，它是面向文档存储。但是为什么使用MongoDB呢？
以MongoDB为代表的NoSQL与传统的关系型数据库存储有何不同呢？本文精彩不容错过。
MongoDB是NoSQL的一种，它是面向文档存储。为什么使用MongoDB？这要先从大数据说起，其中一个经典问题就是从互联网上抓数据。从互联网上我们能抓取大量的数据，那么就面临着存储，更新，查找，错误处理等问题。概括而言就是：
1. how to save, update and find?
2. how to deal with failure?
3. how to deal with large data?
1. how to save, update and find
1) save
首先是如何保存从互联网上抓取的大量数据。这涉及到数据的存储格式：JSON。它是一种轻量级的数据交换格式，建构于“名称/值”对的集合，简单易读，数据体积小，速度快。MongoDB的数据存储在document中，它是类似JSON的数据结构，由“名称/值”对组成。也就是说，数据块用JSON形式保存下来叫document。而很多document合在一起叫做collection，它类似于MySQL里的table。用JSON的名称/值对，到document，再到collection，大量的数据就保存了下来。
2) update
从互联网上抓取的数据，会包含很多属性，比如url, time, author, title, content。而当我们把数据保存完后，如何添加新的属性？比如我们抓取了url, content，然后存储，后来发现还要抓取title并保存。如果之前一块块的数据连续存储完了，这时候就会发现没有空间来添加这个新的属性。一个直接的想法是把要update的原有数据块从原来位置删除，加上新的属性后再添加到后面。但是这种做法在mongoDB中也有问题：在添加数据的过程中，因为数据从原来的位置上移走，留有了空位，就会产生碎片。为了解决这个问题，可以预留空间。在存完一个数据块之后，留一块空间（padding），这样再加新的属性的时候，直接加在padding里，不用把这个数据块移动。Padding的大小是一个tradeoff，如果太少，起不到效果，而如果太大则浪费空间。
那么如何设计padding的大小呢？一种做法是预留document的10%空间，这样document越大padding越大。此外，数据块移动一次，这个百分比就上涨一次，比如从10%变为15%，再移动一次，则变为20%。这种方法类似于TCP/IP中的连接重试算法。
（详见链接：https://technet.microsoft.com/zh-cn/library/ms365783(v=sql.105).aspx）
在mongoDB中，documenet在disk上存的大小一般在32k以内。那么在设计padding的时候，选择凑成比它大的最小2的指数，比如documnet本身28k，那么要申请一个32k的空间（padding为4k）。这样数据块一直是2的指数。这样做的好处是，如果此数据块被移走了，留下一个完整的2的指数的空间（比如32k），那么新的数据块（比如10k的数据）可以直接填进去。disk被切成规则的长度，极大地减少碎片。而且，2的指数作为寻址空间时，移动指针可用位操作，更快速。MMAPv1（mongoDB使用的一种存储引擎）中空间分配使用的就是此策略。
上面讨论的是添加新的属性，除此之外还有一种就是更新数据本身，比如把id从123改成1234。如果在JSON中，我们还要移动数据，因为原来是3个字符现在变成了4个 。有个方法就是把id存为int类型， 这样123和1234都是32 bits范围内的，可以直接改数据。这种存数据的形式为BSON。BSON用在mongoDB中，是基于JSON格式的数据存储格式。BSON好处之一就是加入了数据类型。
3) find
除了保存，更新，还有一个重要操作是find。首先讨论一下基本的find：scan。Scan是我们熟知的遍历，也就是一个个扫数据。比如要寻找某个url，我们一个个数据块，一个个数据查找。但是如果直接遍历，效率低，因为我们扫了很多无用的信息，比如content。为了跳过不需要扫描的东西，我们可以存储数据的长度length，那么我们通过length就能算出下一个url的位置，这样就能只扫描url，略过content等无用的信息。这就是BSON的第二个好处，也是对JSON的一大改进：它将JSON的每一个元素的长度存在元素的头部，这样只需读取到元素长度就能直接找到指定的点上进行读取。如何让查找更快呢？MongoDB提供多种索引类型，比如B tree。B tree类似于二叉树，不过可以有多个分支，而不是只有两个。这样能够减少树的深度，也减少了磁盘I/O读写。
对于数据，我们有了比较好的方法，但是还要考虑disk gap。我们希望数据在disk上存的比较连续。为此，可以在disk里申请固定空间。那么申请多少呢？这里可以使用Double算法。具体就是先申请一个较小空间，如果不够用，那么申请一个双倍的空间，依次继续。比如说先申请64MB的空间，不够的话，再申请128MB的空间，再不够，再申请256MB的空间，直到2G停止。
2. how to deal with failure
云计算，”error is normal”，因为基数大。大量的数据下，即使每块数据失败的几率很小，总的来看，失败还是平常事。而MongoDB可能会面临的失败包括diskful，power off，disk failure等。这里我们主要讨论disk failure。在讨论failure前，先回到数据的存储。我们除了有disk，还有memory。Memory的读取比disk要快。
1) How to deal with the disk failure?
比如一个数据A=3同时存在disk和memory里，我们想把A改为5。我们需要同时修改disk和memory里的数据。但是这样很慢，因为我们涉及到对disk的读写。解决方法：把memory里A改写成5就认为可以了。
新问题：如果此时机器崩溃，A写成的5就没有了。
解决方法：写log/journal来处理，把log存到disk里。
虽然log也要写到disk里，但是把log写入disk要比把数据存入disk随机的位置快，这是因为log是sequence写的，而如果是在disk里写数据，指针要不断移动到新的位置，时间要多很多。还有一个tricky的方法：使用两块disk，一个写数据，一个写log。
这时候我们遇到另一个问题：如何写log？log有两种：behavior log和binary log。举例说，比如要把A=3改成A=5。behavior log写法就是记录所有信息：time, update, A, 3, 5。而binary log写法相对简单，记录位置和更新后的数据。而在MongoDB里使用第一种写法，具体原因，接下来会解释。
前面我们提过，机器随时可能崩溃，为了保证数据的读取，我们需要备份。这样如果一个机器坏了，还可以使用备份。但是新的问题产生了，如何解决数据的同步？
2) how to sync the primary and the secondary?
想要同步primary（简称P）机器里的数据和secondary（简称S）机器里的数据，P需要把log传给S，S依据log来更改数据。这也是MongoDB用behavior log的原因，因为在binary log中，address是local的，那么P中的log的地址是P里的，即使是传给S，S还是无法找到数据。3. how to deal large data
1) how to save 100 TB of documents?
当今主流的计算机硬件比较便宜而且可以扩展，因此对于海量的数据，可以把数据（比如100 TB） 存在不同的机器上，形成一个cluster。在MongoDB中，使用sharding（分片）机制来在不同机器上存储资料。每个shard（碎片）都是一个独立的资料库，很多个shards可以组成一个资料库。比如一个1 TB的collection可以分 成4个shard，每个shard存256 GB。如果分成40个shard，那么每个shard只需管理25 GB的资料。
2) how to save document of 100TB?
如果一个document就有100 TB，那么要如何存储呢？我们可以把100 TB分成小的数据块。拆成255k每块。为什么不用256k呢？这是因为我们要存metadata，如果用256k，那么就没有空间存metadata。从前面的这些介绍可以看出，每种数据结构或者技术都有它产生的原因。就像MongoDB的产生，就是因为现今的数据量越来越大，传统的SQL在处理海量数据时有它的局限性。为了应对各种新的问题，MongoDB才逐渐发展壮大。
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本文来自 Shaoke Xu
