Mongodb存储引擎的变化

老白的释然

在历经版本号修改（2.8版本直接跳到3.0版本）和11个rc版本之后，MongoDB3.0于2015年3月3日正式
发布。可以毫不夸张的说，该版本的新增特性标志着MongoDB这款典型的NoSQL数据库已经进入了一
个全新的发展阶段。本文以下内容会逐个盘点3.0版本的新增特性。

插件式存储引擎API

MongoDB3.0引入了插件式存储引擎API，为第三方的存储引擎厂商加入MongoDB提供了方便，这一变
化无疑参考了MySQL的设计理念。目前除了早期的MMAP存储引擎外，WiredTiger和RocksDB均已完成
了对MongoDB的支持，前者更是在被MongoDB公司收购后更是直接引入到了MongoDB3.0版本中。插
件式存储引擎API的引入为MongoDB丰富自己武器库以处理更多不同类型的业务提供了无限可能，内存
存储引擎、事务存储引擎甚至Hadoop在未来都有可能接入进来。






WiredTiger存储引擎

如果说插件式存储引擎API为MongoDB3.0打造了一个武器库，那么WiredTiger绝对是武器库中第一枚也
是最重要的一枚重磅炸弹。因为MMAP存储引擎自身的天然缺陷（耗费磁盘空间和内存空间且难以清理，
库级别锁），MongoDB为数据库运维人员带来了极大痛苦，甚至一部分人已经开始转向TokuMX，尽管
后者目前也不甚稳定。意识到这一问题的MongoDB，做出了有钱任性的决定，直接收购存储引擎厂商
WiredTiger，将WiredTiger存储引擎集成进3.0版本（仅在64位版本中提供）。那么这款走到聚光灯下的
存储引擎究竟具备哪些值得期待的特性呢？

1、文档级别并发控制

WiredTiger通过MVCC实现文档级别的并发控制，即文档级别锁。这就允许多个客户端请求同时更新一个
集合内存的多个文档，再也不需要在排队等待库级别的写锁。这在提升数据库读写性能的同时，大大提
高了系统的并发处理能力。关于这一点的效果从监控工具mongostat就可以直接体现出来，旧版本的监
控指标会有lockeddb这一项（该项指标过高是mongo使用人员的一大痛点啊），而新版的mongostat已
经看不到了。



MongoDB 2.4.12版本

$/home/mongodb/mongodb-linux-x86_64-2.4.12/bin/mongostat –port55060

insert query update delete getmore command flushes mapped vsize resfaults locked db idxmiss % qr|q
w ar|aw netIn netOut conntime

*0 *0 *0 *0 0 1|0 0 18g 18.3g 16.1g 0 ycsb:0.0% 0 0|00|0 62b 2k 1 13:04:01

*0 *0 *0 *0 0 1|0 0 18g 18.3g 16.1g 0 ycsb:0.0% 0 0|00|0 62b 2k 1 13:04:02

*0 *0 *0 *0 0 1|0 0 18g 18.3g 16.1g 0 ycsb:0.0% 0 0|00|0 62b 2k 1 13:04:03

MongoDB 3.0 rc8版本

$/home/mongodb/mongodb-linux-x86_64-3.0.0-rc8/bin/mongostat –port55050

insert query update delete getmore command % dirty % used flushesvsize res qr|qw ar|aw netIn netO
ut conntime

*0 *0 *0 *0 0 1|0 0.0 42.2 0 30.6G 30.4G 0|0 0|0 79b 16k 113:02:38

*0 *0 *0 *0 0 1|0 0.0 42.2 0 30.6G 30.4G 0|0 0|0 79b 16k 113:02:39

*0 *0 *0 *0 0 1|0 0.0 42.2 0 30.6G 30.4G 0|0 0|0 79b 16k 113:02:40

2、磁盘数据压缩

WiredTiger支持对所有集合和索引进行Block压缩和前缀压缩（如果数据库启用了journal，journal文件一
样会压缩），已支持的压缩选项包括：不压缩、Snappy压缩和Zlib压缩。这为广大Mongo使用者们带来
了又一福音，因为很多Mongo数据库都是因为MMAP存储引擎消耗了过多的磁盘空间而不得已进行扩容。
其中Snappy压缩为数据库的默认压缩方式，用户可以根据业务需求选择适合的压缩方式。理论上来说
，Snappy压缩速度快，压缩率OK，而Zlib压缩率高，CPU消耗多且速度稍慢。当然，只要选择使用压缩
，Mongo肯定会占用更多的CPU使用率，但是考虑到Mongo本身并不是十分耗CPU，所以启用压缩完全
是值得的。






此外，WiredTiger存储方式上也有很大改进。旧版本Mongo在数据库级别分配文件，数据库中的所有集
合和索引都混合存储在数据库文件中，所以即使删掉了某个集合或者索引，占用的磁盘空间也很难及时
自动回收。WiredTiger在集合和索引级别分配文件，数据库中的所有集合和索引均存储在单独的文件中，
集合或者索引删除后，对应的存储文件随即删除。当然，因为存储方式不同，低版本的数据库无法直接
升级到WiredTiger存储引擎，只能通过导出导入数据的方式来实现。

MongoDB 2.4.12版本

[mongodb@mongo-data-emergency-001.m6.momo.com mongodb_2_4_12]$ll

drwxrwxr-x 3 mongodb mongodb 4096 2月 25 19:03local

-rwxrwxr-x 1 mongodb mongodb 6 2月 25 19:04mongod.lock

drwxrwxr-x 2 mongodb mongodb 4096 2月 27 18:30_tmp

drwxrwxr-x 3 mongodb mongodb 4096 2月 27 18:39ycsb

[mongodb@mongo-data-emergency-001.m6.momo.com mongodb_2_4_12]$ llycsb/

drwxrwxr-x 2 mongodb mongodb 4096 2月 27 18:39_tmp

-rw——- 1 mongodb mongodb 67108864 2月 27 18:57ycsb.0

-rw——- 1 mongodb mongodb 134217728 2月 27 18:57ycsb.1

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.10

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.11

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.12

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:39ycsb.13

-rw——- 1 mongodb mongodb 268435456 2月 27 18:57ycsb.2

-rw——- 1 mongodb mongodb 536870912 2月 27 18:57ycsb.3

-rw——- 1 mongodb mongodb 1073741824 2月 27 18:57ycsb.4

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.5

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.6

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.7

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.8

-rw——- 1 mongodb mongodb 2146435072 2月 27 18:57ycsb.9

-rw——- 1 mongodb mongodb 16777216 2月 27 18:40ycsb.ns

Mongo 3.0 rc8版本

[mongodb@mongo-data-emergency-001.m6.momo.com mongodb_3_0_0]$ll

drwxrwxr-x 2 mongodb mongodb 4096 2月 28 18:32local

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 36864 3月 21 13:41_mdb_catalog.wt

-rwxrwxr-x 1 mongodb mongodb 6 2月 28 18:32mongod.lock

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 36864 3月 21 13:42sizeStorer.wt

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 95 2月 28 18:32storage.bson

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 49 2月 28 18:32WiredTiger

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 433 2月 28 18:32WiredTiger.basecfg

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 21 2月 28 18:32WiredTiger.lock

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 921 3月 21 13:41WiredTiger.turtle

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 53248 3月 21 13:41WiredTiger.wt

drwxrwxr-x 2 mongodb mongodb 4096 3月 21 13:41ycsb

[mongodb@mongo-data-emergency-001.m6.momo.com mongodb_3_0_0]$ llycsb/

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 19314257920 2月 2819:16 collection-4–1318477584648278106.wt

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 602112 3月 2113:40 collection-6–1318477584648278106.wt

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 262598656 2月 2818:53 index-5–1318477584648278106.wt

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 827392 3月 2113:40 index-7–1318477584648278106.wt

-rw-rw-r– 1 mongodb mongodb 1085440 3月 2113:41 index-8–1318477584648278106.wt

3、可配置内存使用上限

WiredTiger支持内存使用容量配置，用户通过storage.wiredTiger.engineConfig.cacheSizeGB参数即可控
制MongoDB所能使用的最大内存，该参数默认值为物理内存大小的一半。这也为广大Mongo使用者们
带来了又一福音，MMAP存储引擎消耗内存是出了名的，只要数据量够大，简直就是有多少用多少。

MMAPv1存储引擎提升

MongoDB3.0出了引入WiredTiger外，对于原有的存储引擎MMAP也进行了一定的完善，该存储引擎依
然是3.0版的默认存储引擎。遗憾的是改进后的MMAP存储引擎依旧在数据库级别分配文件，数据库中
的所有集合和索引都混合存储在数据库文件中，所以磁盘空间无法及时自动回收的问题如故。

1、锁粒度由库级别锁提升为集合级别锁

这在一定程度上也能够提升数据库的并发处理能力。

2、文档空间分配方式改变

在MMAP存储引擎中，文档按照写入顺序排列存储。如果文档更新后长度变长且原有存储位置后面没有
足够的空间放下增长部分的数据，那么文档就要移动到文件中的其他位置。这种因更新导致的文档位
置移动会严重降低写性能，因为一旦文档发生移动，集合中的所有索引都要同步修改文档新的存储位
置。

MMAP存储引擎为了减少这种情况的发生提供了两种文档空间分配方式：基于paddingFactor（填充因
子）的自适应分配方式和基于usePowerOf2Sizes的预分配方式，其中前者为默认方式。第一种方式会
基于每个集合中文档更新历史计算文档更新的平均增长长度，然后在新文档插入或旧文档移动时填充
一部分空间，如当前集合paddingFactor的值为1.5，那么一个大小为200字节的文档插入时就会自动在
文档后填充100个字节的空间。第二种方式则不考虑更新历史，直接为文档分配2的N次方大小的存储
空间，如一个大小同样为200字节的文档插入时直接分配256个字节的空间。

MongoDB3.0版本中的MMAPv1抛弃了基于paddingFactor的自适应分配方式，因为这种方式看起来很
智能，但是因为一个集合中的文档的大小不一，所以经过填充后的空间大小也不一样。如果集合上的
更新操作很多，那么因为记录移动后导致的空闲空间会因为大小不一而难以重用。目前基于usePower
Of2Sizes的预分配方式成为默认的文档空间分配方式，这种分配方式因为分配和回收的空间大小都是2
的N次方（当大小超过2MB时则变为2MB的倍数增长），因此更容易维护和利用。如果某个集合上只有
insert或者in-placeupdate，那么用户可以通过为该集合设置noPadding标志位，关闭空间预分配。

老白的释然

复制集改进

1、复制集成员增长

MongoDB3.0的复制集成员的最大个数由之前的12个增长为50个，但能够投票的最大成员个数依然为
7个，而相应的getLastError中的 w:“majority” 项也仅代表投票节点的大多数。

2、Primary节点StepDown处理方式变化

在复制集中通过replSetStepDown命令可以使得当前的Primary节点退位，重新选举新的Primay节点。
MongoDB3.0在StepDown的处理方式上做了如下修改：1）在Primary退位之前，会首先中断某些耗
时较长的用户操作如创建索引、写操作、Mapreduce任务等；2）为了防止数据回滚，Primary节点在
退位之前会等待一个可被选举的Secondary节点同步到最新数据，而旧版本中Primary节点只要有Se
condary节点的数据同步到10秒以内就退位；3）同时replSetStepDown命令新增了一个secondaryC
atchUpPeriodSecs参数，用户可以指定Primary节点等待有Secondary节点的数据同步到该参数指定
的秒数内就退位。

分片集群改进

1、新增工具函数 sh.removeTagRange()

旧版本中只有sh.addTagRange()，如果要删除tagRange只能手工到config.tags集合中删除。

2、提供更可预测的Read Preference处理

新版本中mongos实例在执行读操作时不再将连接固定在复制集成员上，而是对每个读操作都会重新
评估ReadPreference。这样当Read Preference修改时，其行为更容易预测。

3、为chunk迁移提供writeConcern设置

新版本针对均衡器为moveChunk和cleanupOrphaned这两个涉及到chunk迁移的命令提供了writeCon
cern参数。

4、增加均衡器状态显示

新版本中通过sh.status()可以看到均衡器的状态信息。

其他改动

1、优化explan函数

新版本explain函数可以支持count，find，group，aggregate，update，remove等操作的查询计划显
示，结果更全面更精细。

2、重写mongodb工具

新版本所有mongodb自带工具均使用Go语言重写，特别是在mongodump和mongorestore添加了并行
机制，这样可以大大加快数据的导出和导入。

3、日志输出控制

新版本中将日志分为不同的模块，其中包括ACCESS、COMMAND、CONTROL、GEO、INDEX、NETW
ORK、QUERY、REPL、SHARDING、STORAGE、JOURNAL和WRITE等。用户可以动态调整每个模块的
日志级别，这无疑更有利于系统问题诊断。

4、 索引构建优化

后台索引建立过程中，不能进行删库删表删索引操作，且后台索引建立过程不会因此自动中断。另外，
使用createIndexes命令可以同时建立多个索引，并且只扫描一遍数据，提升了建索引的效率。

总结

以上仅列出了MongoDB 3.0的一些主要特性和修改，如果希望了解更多可以查看MongoDB 3.0的Relea
se-Notes。总体来看，MongoDB3.0提供了较多令人惊喜的新特性，也使人们更加看好其未来的发展。