MongoDB 8.0——存储

1、存储介绍

MongoDB数据库存储引擎是MongoDB负责管理数据的主要组件。MongoDB提供多种存储引擎，可以选择最适合自己应用程序的引擎。WiredTiger存储引擎是MongoDB数据库默认支持的，其具有如下特点：

• 提供文档级锁定。
• 内存和磁盘的性能都很好。
• 支持文档级的并发。
• 高压缩率。
• 加密支持。

本文介绍的日志是WiredTiger预写日志，而不是MongoDB数据库日志文件。预写日志是帮助数据库在发生硬中止时恢复数据的记录。它提供了多个可配置选项，允许在特定场景下平衡性能和可靠性。

GridFS是一种用于自管理部署的多功能存储系统，专门用于处理大型文件，比如超过16MB文档大小限制的文件。

2、WiredTiger存储引擎

2.1、WiredTiger存储引擎介绍

MongoDB数据库的WiredTiger存储引擎是默认的存储引擎。对于现有部署，如果未指定–storageEngine或storage.engine设置，则mongod实例可以自动确定用于在–dbpath或storage.dbPath中创建数据文件的存储引擎。

MongoDB在以下环境中托管的部署可以使用WiredTiger存储引擎。

• MongoDB Atlas：用于云中MongoDB部署的完全托管服务。

需要注意，所有MongoDB Atlas部署均使用WiredTiger存储引擎。WiredTiger存储引擎主要包括MongoDBEnterprise和MongoDB Community两个版本。MongoDB Enterprise是基于订阅、自我管理的MongoDB版本，MongoDB Community是基于源代码可用、免费使用且可自行管理的MongoDB版本。

关于WiredTiger引擎的操作和使用限制说明如下：

• 不能将文档固定到WiredTiger缓存中。
• WiredTiger不会保留一部分缓存用于读取，并将另一部分缓存用于写入。
• 大量的写入工作负载可能会影响性能，不过在这种情况下，WiredTiger会优先确保索引缓存。
• WiredTiger会将其缓存分配给整个mongod实例。
• WiredTiger不会在每个数据库或每个集合级别分配缓 存。

2.2、事务（读写）并发

从MongoDB 7.0版本开始，MongoDB使用默认算法来动态调整并发存储引擎事务（读取和写入票证）的最大数量。动态并发存储引擎ACID事务算法可优化集群过载期间的数据库吞吐量。

并发存储引擎事务（读取和写入票证）的最大数量永远不会超过128读取票证和128写入票证，并且可能因集群中的节点而异。单个节点内的读取票证和写入票证的最大数量始终相等。

如果要指定动态最大值不能超过的读写事务（读取和写入操作）的最大数量，可使用storageEngineConcurrentReadTransactions和storageEngineConcurrentWriteTransactions。

如果要查看WiredTiger存储引擎支持的并发读事务（读票证）和写事务（写票证）的数量，可执行serverStatus命令并检查queues.execution响应文档。

需要注意，available在queues.execution中的低值并不表示存在集群过载，建议使用排队读取和写入票证数量作为集群过载的指示。

2.3、文档级并发性

MongoDB数据库的WiredTiger存储引擎会对写入操作使用文档级并发控制。因此，多个客户端可以同时修改某一集合中的不同文档。

MongoDB对于大多数读取和写入操作，WiredTiger均使用乐观并发控制。WiredTiger仅在全局、数据库和集合级别使用意向锁。当存储引擎检测到两个操作之间存在冲突时，其中一个操作会引发写入冲突，从而导致MongoDB以透明方式重试该操作。

MongoDB对于某些全局操作（通常是涉及多个数据库的短期操作）仍然需要全局性的“实例范围”锁。在某些情况下，其他一些操作（例如renameCollection）仍然需要独占数据库锁。

2.4、快照和检查点

MongoDB数据库的WiredTiger存储引擎使用多版本并发控制(Multi-Version Concurrency Control，MVCC)。在一个操作开始时，WiredTiger会向该操作提供数据在该时间点的快照，快照提供的视图将与内存中的数据保持一致。

当写入磁盘时，WiredTiger将快照中的所有数据以一致的方式跨所有数据文件写入磁盘。当持久性数据充当数据文件中的检查点时，检查点可确保数据文件在最后一个检查点之前（包括最后一个检查点）保持一致，即检查点可以充当恢复点。

MongoDB会配置WiredTiger以创建检查点，具体操作是每隔60秒将快照数据写入磁盘。在写入新检查点期间，前一检查点仍然有效。因此，即使MongoDB在写入新检查点时终止或出错，它在重新启动后也可以从上一个有效检查点恢复。

当WiredTiger的元数据表被原子性更新以引用新检查点时，新检查点将变得可访问且被永久保存。一旦新检查点可供访问，WiredTiger就会释放来自旧检查点的页面。

从MongoDB 5.0版本开始，可以使用minSnapshotHistoryWindowInSeconds参数来指定WiredTiger保留快照历史记录的时长。增大minSnapshotHistoryWindowInSeconds的值会增加磁盘使用量，因为服务器必须在指定的时间窗口内维护早期已修改值的历史记录。使用的磁盘空间量取决于工作负载，工作负载越大，需要的磁盘空间越多。MongoDB在WiredTigerHS.wt文件中维护快照历史记录，该文件位于指定的dbPath中。

2.5、日志与压缩

MongoDB数据库的WiredTiger存储引擎将预写日志与检查点结合使用，以确保数据的持久性。WiredTiger日志会保留各检查点之间的所有数据修改。如果MongoDB在检查点之间退出，其会使用日志来重放自上一个检查点以来修改的所有数据。

WiredTiger日志使用Snappy压缩库进行压缩。如果要指定其他压缩算法或不压缩，可以使用storage.wiredTiger.engineConfig.journalCompressor进行设置。

需要注意，如果日志记录小于或等于128字节（WiredTiger的最小日志记录大小）​，WiredTiger则不会压缩该记录。

通过利用WiredTiger存储引擎，MongoDB能够支持对所有集合和索引进行压缩。压缩能够最大限度地减少存储使用量，但会消耗额外的CPU资源。默认情况下，WiredTiger对所有集合使用Sappy压缩库进行区块压缩，对所有索引使用前缀压缩。

对于集合，还可以选择使用zlib或zstd区块压缩库。如果需要指定另一种压缩算法或不压缩，可以使用storage.wiredTiger.collectionConfig.blockCompressor设置。对于索引，如果要禁用前缀压缩，可以使用storage.wiredTiger.indexConfig.prefixCompression设置。在创建集合和索引期间，还可以在每个集合和每个索引的基础上配置压缩设置。对于大多数工作负载，默认的压缩设置可以在存储效率和处理需求之间取得平衡。

2.6、内存使用

MongoDB数据库通过WiredTiger存储引擎，可以同时利用WiredTiger内部缓存和文件系统缓存，默认WiredTiger内部缓存大小为以下两者中的较大者：

• (RAM大小-1 GB)的50%。
• 256 MB。

例如，在总RAM为4GB的系统上，WiredTiger缓存使用1.5GB RAM，算式如下：（0.5 * (4 GB - 1 GB) = 1.5 GB）。相反，在总RAM为1.25GB的系统上，WiredTiger存储引擎为WiredTiger缓存分配了256 MB，因为这大于总RAM的一半减去1GB，算式如下：0.5 * (1.25 GB - 1 GB) = 128 MB < 256 MB）需要注意，在某些情况下，例如在容器中运行时，数据库的内存约束可以低于系统总内存。在此类情况下，将此内存限制而非系统总内存用作最大可用RAM。

默认情况下，WiredTiger对所有集合使用Snappy区块压缩，对所有索引使用前缀压缩。压缩默认值可以在全局级别进行配置，也可以在集合和索引创建期间针对每个集合和每个索引进行设置。

WiredTiger内部缓存和磁盘格式中的数据使用不同的表示形式：

• 文件系统缓存中的数据与磁盘上的数据格式相同，并且同样拥有数据文件压缩带来的好处。操作系统使用文件系统缓存来减少磁盘I/O。
• WiredTiger内部缓存中加载的索引具有与磁盘上格式不同的数据表示形式，但仍可利用索引前缀压缩来减少RAM使用量。索引前缀压缩会对被索引字段中的常用前缀去重。
• WiredTiger内部缓存中的集合数据未压缩，并使用与磁盘上格式不同的表示形式。区块压缩可大幅节省磁盘上的存储空间，但数据必须解压缩才能由服务器操作。

借助文件系统缓存，MongoDB会自动使用WiredTiger缓存或其他进程未使用的所有空闲内存。

3、日志

3.1、日志和WiredTiger存储引擎

为了在存储引擎发生故障时提供持久性，MongoDB数据库会提前将日志记录写入磁盘上的日志文件（MongoDB数据库数据目录中的顺序二进制日志文档）​。注意，这里提到的日志是指WiredTiger预写日志，而不是MongoDB数据库的日志文件。

WiredTiger使用检查点提供磁盘上数据的一致视图，并允许MongoDB从最后一个检查点恢复。但是，如果MongoDB在检查点之间意外退出，则需要日志来恢复最后一个检查点之后发生的信息。需要注意，从MongoDB6.1版本开始，日志始终处于启用状态。因此，MongoDB会删除storage.journal.enabled选项以及相应的–journal和–nojournal命令行选项。

通过日志记录恢复进程，需要关注以下几点：

• 在数据文件中查找最后一个检查点的标识符。
• 在日志文件中搜索与上一个检查点的标识符匹配的记录。
• 应用日志文件中自上一个检查点以来的操作。

3.2、日志记录进程

MongoDB通过日志记录，WiredTiger存储引擎为每个客户端发起的写入操作创建一条日志记录。日志记录包括由初始写入引起的任何内部写入操作。例如，对集合中文档的更新可能会导致对索引的修改；WiredTiger会创建一条日志记录，其中包括更新操作及其关联的索引修改。

MongoDB配置WiredTiger使用内存缓冲来存储日志记录。线程会进行协调，以分配并复制到它们的缓冲区部分。所有不超过128KB的日记记录都会被缓冲。当满足以下任一条件时，WiredTiger会将缓冲的日志记录同步到磁盘：

• 对于副本集成员（主节点和从节点成员）​，如果写入操作包含或暗示j: true的写关注。此外，对于从节点，在每次批量应用操作日志条目之后进行。注意，如果writeConcernMajorityJournalDefault为真，则写关注majority默认为j: true。
• 每100毫秒一次。
• 当WiredTiger创建新的日志文件时，由于MongoDB使用上限为100 MB的日志文件，因此WiredTiger大约每100 MB数据创建一份新日志文件。

在写入操作之间，虽然日志记录保留在WiredTiger缓冲区中，但硬关闭mongod后可能会丢失更新。

3.3、Journal Files

对于日志文件，MongoDB会在dbPath目录下创建一个名为journal的子目录。WiredTiger日志文件的名称格式为：WiredTigerLog.<sequence>，其中<sequence>是从0000000001开始的零填充数字。

在日志文件中，客户端启动的每个写入操作都有一条记录，具体内容如下：

• 日志记录包括由初始写入引起的任何内部写入操作。例如，对集合中文档的更新可能会导致对索引的修改；WiredTiger创建一条日志记录，其中包括更新操作及其关联的索引修改。
• 每条记录都有一个唯一的标识符。
• WiredTiger的最小日记记录大小为128字节。

默认情况下，MongoDB将WiredTiger配置为对其日志数据使用Snappy压缩。如果要指定不同的压缩算法或不进行压缩，需要使用storage.wiredTiger.engineConfig.journalCompressor设置。如果日志记录小于或等于128字节（WiredTiger的最小日志记录大小）​，WiredTiger不会压缩该记录。WiredTiger日志文件的大小限制约为100MB。一旦文件超过该限制，WiredTiger就会创建一个新的日志文件。

WiredTiger会自动删除旧日志文件，仅保留从上一个检查点恢复所需的文件。如果要确定为日志文件留出多少磁盘空间，需考虑以下因素：

• 检查点的默认最大大小为2GB。
• MongoDB从检查点恢复时，可能需要额外的空间来写入新的日志文件。
• MongoDB压缩日志文件。
• 恢复检查点所需的时间取决于你的使用案例。
• 如果覆盖最大检查点大小或禁用压缩，则计算结果可能会有很大不同。

基于这些原因，很难准确计算出需要多少额外空间，因此高估所需要的磁盘空间始终是一种更安全的方法。如果没有为日志文件留出足够的磁盘空间，MongoDB服务器将会崩溃。通常，WiredTiger会预先分配日志文件的大小。

3.4、日志和内存存储引擎

在MongoDB Enterprise中，内存存储引擎是正式发布版(GA)的一部分。由于其数据保存在内存中，因此没有单独的日志。写关注为j: true的写入操作会立即得到确认。如果副本集的任何有投票权成员使用内存存储引擎，则必须将writeConcernMajorityJournalDefault设为false。

注意，从MongoDB 4.2版本开始，如果某个副本集节点使用内存存储引擎（有投票权或无投票权）​，但副本集将writeConcernMajorityJournalDefault设置为true，则该副本集节点会记录一个启动警告。

在将writeConcernMajorityJournalDefault设置为false时，MongoDB不会等待w: "majority"在写入磁盘日志后才确认写入。例如，"majority"写操作可能会在给定副本集中的大部分节点发生临时断连（例如崩溃或重启）的情况下回滚。