MongoDB Tutorial

前言

MongoDB 作为当前最流行的文档型 NoSQL 数据库，凭借其灵活的文档模型、强大的扩展能力和卓越的性能，已经成为现代互联网应用架构中不可或缺的一环。无论是初创公司的快速迭代，还是巨头企业的海量数据存储，MongoDB 都展现出了极强的适应性。

本指南旨在为你提供一份从零基础到生产实战的完整学习路径。我们将从最基础的概念讲起，逐步深入到高级查询、索引优化、分布式架构，最后结合 Python 实战，帮助你彻底打通 MongoDB 的任督二脉。

无论你是刚入门的后端开发新手，还是希望深入优化数据库性能的资深工程师，这份指南都能为你提供详实的参考。

第一章：MongoDB 核心认知

1.1 什么是 MongoDB？

MongoDB 是一个开源、跨平台、面向文档的非关系型数据库。它将数据存储为一个文档，数据结构由键值对组成，类似于 JSON 对象，但采用二进制的 BSON 格式进行存储和传输，这使得它能够支持更丰富的数据类型和更快的解析速度。

核心特性：

灵活的文档模型：无需预定义 Schema，字段可以动态添加，完美适配需求快速变化的业务。
强大的索引支持：支持单字段、复合、地理空间、全文等多种索引类型。
高可用：通过副本集（Replica Set）实现数据自动备份和故障转移。
水平扩展：通过分片（Sharding）技术，将数据分散到多台机器，轻松应对 PB 级数据。
丰富的查询语言：支持聚合、事务、Graph 查询等复杂操作。

1.2 核心概念与术语

对于从关系型数据库（如 MySQL）转过来的开发者，理解下面的对应关系至关重要：

MongoDB 术语	MySQL 术语	说明
Database (数据库)	Database (数据库)	数据的物理容器，一个 MongoDB 实例可以包含多个 Database
Collection (集合)	Table (表)	一组文档的集合，类似于关系型数据库中的表
Document (文档)	Row (行)	一条记录，以 BSON 格式存储，类似于 JSON 对象
Field (字段)	Column (列)	文档中的一个属性，类似于表中的列
Index (索引)	Index (索引)	加速查询的数据结构
Primary Key (主键)	Primary Key (主键)	MongoDB 自动提供 `_id` 字段作为主键

1.3 BSON 数据类型

MongoDB 使用 BSON（Binary JSON）来存储数据，它比 JSON 支持更多的数据类型：

String：字符串，必须是 UTF-8 编码。
Integer：整型，32 位或 64 位，取决于环境。
Boolean：布尔值，true 或 false。
Double：双精度浮点型。
ObjectId：12 字节的唯一 ID，用于文档的唯一标识。
Array：数组，列表或有序集合。
Object：嵌套文档。
Date：日期时间，存储为从 Unix 纪元开始的毫秒数。
Binary：二进制数据，用于存储二进制流。
Code：JavaScript 代码。

_id 解析：默认的 _id 字段是一个 ObjectId，它不是随机的，而是包含了时间戳、机器码、进程 ID 和自增计数器，因此你可以直接从中提取创建时间：ObjectId("507f1f77bcf86cd799439011").getTimestamp()

1.4 MongoDB vs MySQL：该如何选择？

很多人会问，MongoDB 和 MySQL 到底哪个好？其实没有绝对的好坏，只有适合不适合。

MongoDB 更适合：

数据结构频繁变化：电商商品属性、用户画像、内容管理系统。
海量数据读写：日志系统、物联网设备数据、用户行为埋点。
高并发读写：社交网络的 Feed 流、实时数据统计。
地理位置查询：LBS 服务、附近的人 / 商家。
快速开发迭代：初创项目，需求频繁变动。

MySQL 更适合：

强事务性系统：金融交易、订单支付、库存扣减。
复杂的多表关联查询：传统的 ERP、CRM 系统。
严格的结构化数据：报表系统、财务系统。

第二章：环境搭建与部署

MongoDB 支持全平台部署，下面我们介绍几种最常用的安装方式。

2.1 Docker 一键部署（推荐开发环境）

对于开发和测试环境，使用 Docker 是最快的方式，一行命令即可启动。

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# 拉取镜像并启动
docker run -d \
  --name mongodb \
  -p 27017:27017 \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_USERNAME=admin \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_PASSWORD=your_strong_password \
  mongo:7.0

如果你需要持久化数据，可以挂载数据卷：

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docker volume create mongo_data
docker run -d \
  --name mongodb \
  -p 27017:27017 \
  -v mongo_data:/data/db \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_USERNAME=admin \
  -e MONGO_INITDB_ROOT_PASSWORD=your_strong_password \
  mongo:7.0

2.2 Linux 系统安装（生产环境推荐）

以 Ubuntu 20.04/22.04 为例：

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# 1. 导入公钥
wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-7.0.asc | sudo apt-key add -

# 2. 添加源
echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu $(lsb_release -cs)/mongodb-org/7.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-7.0.list

# 3. 安装
sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

# 4. 启动服务
sudo systemctl start mongod
sudo systemctl enable mongod

# 5. 验证
sudo systemctl status mongod

2.3 Windows 系统安装

前往 MongoDB 下载中心下载 MSI 安装包。
运行安装程序，选择 “Complete” 安装。
安装向导会自动将 MongoDB 安装为 Windows 服务。
安装完成后，在命令行输入 mongo 即可连接。

2.4 连接数据库

安装完成后，使用 mongosh（新版的 MongoDB Shell）连接数据库：

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# 本地无认证连接
mongosh

# 带账号密码连接
mongosh "mongodb://admin:your_strong_password@localhost:27017/?authSource=admin"

第三章：基础操作：CRUD 增删改查

掌握了连接之后，我们来学习最基础的增删改查操作。所有的操作都围绕着集合（Collection）进行。

3.1 数据库与集合管理

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// 查看所有数据库
show dbs

// 切换/创建数据库（插入数据后才会真正创建）
use test_db

// 查看当前数据库
db

// 查看当前数据库下的集合
show collections

// 创建集合（可选，插入数据时自动创建）
db.createCollection("users")

// 删除集合
db.users.drop()

// 删除当前数据库
db.dropDatabase()

3.2 插入文档（Create）

MongoDB 提供了 insertOne 和 insertMany 两个方法。

插入单个文档

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db.users.insertOne({
  name: "张三",
  age: 25,
  email: "zhangsan@example.com",
  hobbies: ["篮球", "游戏"],
  address: {
    province: "广东",
    city: "深圳"
  },
  createTime: new Date()
})

返回结果会包含自动生成的 _id：

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{
  "acknowledged" : true,
  "insertedId" : ObjectId("662f...")
}

插入多个文档

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db.users.insertMany([
  { name: "李四", age: 28, gender: "female" },
  { name: "王五", age: 30, gender: "male" },
  { name: "赵六", age: 26, gender: "female" }
])

3.3 查询文档（Read）

查询是 MongoDB 最强大的部分之一。

基础查询

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// 查询所有文档
db.users.find()

// 查询单个文档（返回第一条匹配的）
db.users.findOne({ name: "张三" })

// 条件查询
db.users.find({ age: 25 }) // age 等于 25
db.users.find({ age: { $gt: 25 } }) // age 大于 25
db.users.find({ age: { $gte: 25, $lt: 30 } }) // 25 <= age < 30
db.users.find({ name: { $ne: "张三" } }) // name 不等于 张三

常用查询运算符

运算符	作用	示例
`$gt`	大于	`{ age: { $gt: 25 } }`
`$gte`	大于等于	`{ age: { $gte: 25 } }`
`$lt`	小于	`{ age: { $lt: 30 } }`
`$lte`	小于等于	`{ age: { $lte: 30 } }`
`$ne`	不等于	`{ age: { $ne: 25 } }`
`$in`	包含在数组中	`{ age: { $in: [25, 30] } }`
`$nin`	不包含在数组中	`{ age: { $nin: [25, 30] } }`
`$and`	逻辑与	`$and: [ {age: 25}, {name: "张三"} ]`
`$or`	逻辑或	`$or: [ {age: 25}, {name: "张三"} ]`

数组查询

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// 包含某个元素
db.users.find({ hobbies: "篮球" })

// 包含所有指定元素
db.users.find({ hobbies: { $all: ["篮球", "游戏"] } })

// 数组长度
db.users.find({ hobbies: { $size: 2 } })

嵌套文档查询

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// 精确匹配整个嵌套文档
db.users.find({ address: { province: "广东", city: "深圳" } })

// 点表示法，匹配单个字段（推荐）
db.users.find({ "address.city": "深圳" })

分页、排序、投影

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// 排序：1 升序，-1 降序
db.users.find().sort({ age: -1 }) // 按年龄倒序

// 分页：skip 跳过，limit 限制
db.users.find().skip(10).limit(10) // 第2页，每页10条

// 投影：只返回指定字段，1 显示，0 隐藏
db.users.find({}, { name: 1, age: 1, _id: 0 })

3.4 更新文档（Update）

更新操作需要使用更新操作符，否则会直接替换整个文档。

更新单个文档

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// $set：只更新指定字段，推荐！
db.users.updateOne(
  { name: "张三" }, // 条件
  { $set: { age: 26, email: "new_email@example.com" } } // 更新内容
)

更新多个文档

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// 给所有年龄小于18岁的用户添加一个字段
db.users.updateMany(
  { age: { $lt: 18 } },
  { $set: { isMinor: true } }
)

常用更新运算符

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// $inc：字段自增
db.users.updateOne({ name: "张三" }, { $inc: { age: 1 } }) // 年龄+1

// $push：向数组添加元素
db.users.updateOne({ name: "张三" }, { $push: { hobbies: "游泳" } })

// $addToSet：向数组添加元素，不存在才添加（去重）
db.users.updateOne({ name: "张三" }, { $addToSet: { hobbies: "游泳" } })

// $pull：从数组删除元素
db.users.updateOne({ name: "张三" }, { $pull: { hobbies: "游戏" } })

// $unset：删除字段
db.users.updateOne({ name: "张三" }, { $unset: { isMinor: 1 } })

Upsert 操作

如果找不到匹配的文档，就插入一个新的：

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db.users.updateOne(
  { name: "钱七" },
  { $set: { age: 27 } },
  { upsert: true } // 开启 upsert
)

3.5 删除文档（Delete）

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// 删除单个文档
db.users.deleteOne({ name: "赵六" })

// 删除多个文档
db.users.deleteMany({ age: { $lt: 18 } })

// 删除所有文档（保留集合）
db.users.deleteMany({})

⚠️ 警告：执行 deleteMany({}) 会清空整个集合，且无法回滚！生产环境操作前务必确认条件！

第四章：索引与性能优化

索引是数据库性能的关键。合理的索引可以将查询速度从秒级提升到毫秒级。

4.1 索引基础

MongoDB 的索引使用 B 树数据结构，与 MySQL 类似。默认情况下，所有集合都会在 _id 字段上创建一个唯一索引。

创建索引

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// 单字段索引：1 升序，-1 降序
db.users.createIndex({ age: 1 })

// 复合索引：多个字段组合
db.orders.createIndex({ status: 1, createdAt: -1 })

// 唯一索引：确保字段值不重复
db.users.createIndex({ email: 1 }, { unique: true })

索引管理

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// 查看集合的所有索引
db.users.getIndexes()

// 查看索引大小
db.users.totalIndexSize()

// 删除索引
db.users.dropIndex("age_1")

4.2 复合索引与 ESR 原则

创建复合索引时，字段的顺序至关重要。业界有一个著名的 ESR 原则：

Equality（等值匹配） -> Sort（排序） -> Range（范围查询）

为什么？

等值字段：用来快速定位到具体的行，应该放在最前面。
排序字段：让数据库在取出数据后不需要再内存排序，可以直接按索引顺序返回。
范围字段：放在最后，因为范围查询会导致后面的字段索引失效。

示例： 查询：status = "completed" AND amount > 100 ORDER BY createdAt DESC

错误的索引：{status: 1, amount: 1, createdAt: -1} 正确的索引：{status: 1, createdAt: -1, amount: 1}

4.3 高级索引类型

1. 部分索引（Partial Index）

只对符合条件的文档建立索引，大大减小索引体积。

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// 只对已支付的订单建立索引，草稿订单不索引
db.orders.createIndex(
  { userId: 1, createdAt: -1 },
  { partialFilterExpression: { status: { $ne: "draft" } } }
)

2. 稀疏索引（Sparse Index）

只对包含特定字段的文档建立索引，适合字段可选的情况。

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// 很多用户没有手机号，只对有手机号的用户建立索引
db.users.createIndex({ phone: 1 }, { sparse: true })

3. 覆盖索引（Covering Index）

如果查询的所有字段都在索引中，数据库就不需要去磁盘读取文档，直接返回索引数据，速度极快。

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// 索引包含查询条件和返回字段
db.orders.createIndex({ status: 1, userId: 1, total: 1 })

// 查询只返回这几个字段，就是覆盖查询
db.orders.find({ status: "completed", userId: 123 }, { status: 1, userId: 1, total: 1, _id: 0 })

4.4 索引失效场景

即使建了索引，某些写法也会导致索引失效，触发全表扫描：

使用函数或表达式：db.users.find({ $where: "this.age + 10 > 30" })
正则非前缀匹配：db.users.find({ name: /zhang/ })（应该用 /^zhang/）
不满足最左前缀：复合索引 {a:1, b:1}，只查 b 会失效。
**使用 **$ne 或 $not：有时候会导致索引失效。
数据类型不匹配：字段是 Number，你传了 String。

4.5 慢查询分析

如何找到慢查询？MongoDB 内置了分析工具。

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// 开启慢查询日志，记录所有超过 100ms 的操作
db.setProfilingLevel(1, { slowms: 100 })

// 查看最近的慢查询
db.system.profile.find().sort({ ts: -1 }).limit(10)

// 查看执行计划，分析查询是否走了索引
db.users.find({ age: { $gt: 25 } }).explain("executionStats")

重点看 explain 的结果：

stage: "IXSCAN"：索引扫描，正常。
stage: "COLLSCAN"：全集合扫描，有问题！
executionTimeMillis：执行时间。
totalDocsExamined：扫描的文档数，如果远大于 nReturned，说明索引没建好。

第五章：高级查询特性

除了基础的 CRUD，MongoDB 还有很多强大的高级特性。

5.1 地理空间查询（LBS）

MongoDB 原生支持地理位置查询，完美适配外卖、网约车、同城社交等场景。

1. 存储格式

地理数据使用 GeoJSON 格式：

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{
  name: "肯德基",
  location: {
    type: "Point",
    coordinates: [113.327, 23.125] // 注意：先经度，后纬度！
  }
}

2. 创建地理索引

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db.merchants.createIndex({ location: "2dsphere" })

3. 查询附近的商家

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// 查询我当前位置(113.330, 23.127)附近3公里内的商家
db.merchants.find({
  location: {
    $near: {
      $geometry: {
        type: "Point",
        coordinates: [113.330, 23.127]
      },
      $maxDistance: 3000 // 单位：米
    }
  }
})

4. 查询某个区域内的商家

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// 查询某个多边形商圈内的商家
db.merchants.find({
  location: {
    $geoWithin: {
      $geometry: {
        type: "Polygon",
        coordinates: [[
          [113.320, 23.120],
          [113.340, 23.120],
          [113.340, 23.140],
          [113.320, 23.140],
          [113.320, 23.120]
        ]]
      }
    }
  }
})

5.2 全文检索

MongoDB 内置了全文索引，可以实现轻量级的搜索功能，无需额外部署 Elasticsearch。

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// 创建全文索引，支持多个字段
db.goods.createIndex({ name: "text", description: "text", tags: "text" })

// 搜索包含 "苹果" 或 "华为" 的商品
db.goods.find(
  { $text: { $search: "苹果 华为" } },
  { score: { $meta: "textScore" } } // 返回相关性分数
).sort({ score: { $meta: "textScore" } }) // 按相关性排序

5.3 游标操作

当查询结果很大时，MongoDB 使用游标来分批返回数据，避免一次性加载所有数据到内存。

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let cursor = db.users.find()

// 手动遍历
while (cursor.hasNext()) {
  printjson(cursor.next())
}

// 设置批量大小
cursor.batchSize(100)

第六章：聚合框架

聚合框架（Aggregation Framework）是 MongoDB 用于数据分析和统计的利器，它类似于 SQL 中的 GROUP BY、JOIN，但更强大。

聚合框架采用 ** 管道（Pipeline）** 模式：数据像流水线一样，依次通过多个阶段（Stage）进行处理。

6.1 常用管道阶段

阶段	SQL 等价操作	作用
`$match`	WHERE	过滤数据
`$group`	GROUP BY	分组统计
`$sort`	ORDER BY	排序
`$limit` / `$skip`	LIMIT / OFFSET	分页
`$project`	SELECT	投影，修改字段
`$lookup`	LEFT JOIN	关联查询
`$unwind`	-	拆分数组
`$facet`	-	多维度统计

6.2 分组统计示例

场景：统计每个省份的用户数量，以及平均年龄。

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db.users.aggregate([
  {
    $group: {
      _id: "$address.province", // 按省份分组
      count: { $sum: 1 }, // 计数
      avgAge: { $avg: "$age" }, // 平均年龄
      maxAge: { $max: "$age" }, // 最大年龄
      names: { $push: "$name" } // 收集所有名字
    }
  }
])

6.3 关联查询（$lookup）

MongoDB 3.2+ 支持关联查询，实现了类似 SQL 的 Join 功能。

场景：查询订单，同时关联查询出订单对应的用户信息。

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db.orders.aggregate([
  {
    $lookup: {
      from: "users", // 关联的集合
      localField: "userId", // 本集合的关联字段
      foreignField: "_id", // 关联集合的关联字段
      as: "userInfo" // 输出的字段名
    }
  },
  // 因为 lookup 返回的是数组，我们用 $arrayElemAt 取出第一个元素
  {
    $addFields: {
      userInfo: { $arrayElemAt: ["$userInfo", 0] }
    }
  }
])

$facet 允许你在一次查询中，对同一输入数据执行多个聚合管道，非常适合实现报表的多维度统计。

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db.orders.aggregate([
  {
    $facet: {
      // 维度1：按状态分类统计
      byStatus: [
        { $group: { _id: "$status", count: { $sum: 1 } } }
      ],
      // 维度2：按月统计销售额
      byMonth: [
        { $group: { _id: { $month: "$createTime" }, total: { $sum: "$amount" } } }
      ],
      // 维度3：Top10 用户
      topUsers: [
        { $group: { _id: "$userId", total: { $sum: "$amount" } } },
        { $sort: { total: -1 } },
        { $limit: 10 }
      ]
    }
  }
])

第七章：事务

从 MongoDB 4.0 开始，MongoDB 支持了多文档事务，保证 ACID 特性。

7.1 事务的使用

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// 开启会话
const session = db.getMongo().startSession()
session.startTransaction()

try {
  // 在事务中执行操作
  const users = session.getDatabase("test").users
  const accounts = session.getDatabase("test").accounts
  
  // 操作1：扣减余额
  accounts.updateOne(
    { userId: ObjectId("...") },
    { $inc: { balance: -100 } },
    { session }
  )
  
  // 操作2：增加积分
  users.updateOne(
    { _id: ObjectId("...") },
    { $inc: { points: 100 } },
    { session }
  )
  
  // 提交事务
  session.commitTransaction()
} catch (e) {
  // 出错回滚
  session.abortTransaction()
  throw e
} finally {
  session.endSession()
}

7.2 注意事项

MongoDB 的事务有16MB的大小限制。
事务会带来一定的性能开销，不要滥用。
分片集群的事务需要 MongoDB 4.2+ 支持。

第八章：高可用与分布式架构

当你的业务越来越大，单机已经无法满足需求时，就需要用到 MongoDB 的分布式架构。

8.1 副本集（Replica Set）：高可用

副本集是一组 MongoDB 服务器，它们维护着相同的数据副本。它的作用是：

数据备份：防止单点故障导致数据丢失。
故障转移：主节点挂了，自动从从节点选举一个新的主节点，服务不中断。
读写分离：读请求可以分到从节点，减轻主节点压力。

架构：

Primary（主节点）：处理所有写请求。
Secondary（从节点）：异步复制主节点的数据，可以处理读请求。
Arbiter（仲裁节点）：不存数据，只参与选举，节省资源。

8.2 分片集群（Sharding）：水平扩展

当数据量太大，单台机器存不下，或者读写 QPS 太高，单机扛不住时，就需要分片。

分片就是把一个大集合的数据，切分成小块，分散到不同的机器（Shard）上存储。

分片集群的三大组件：

Shard（分片）：存储实际的数据，每个 Shard 本身就是一个副本集，保证高可用。
Config Server（配置服务器）：存储集群的元数据，比如数据存在哪个分片上。它也必须是副本集。
Mongos（路由）：客户端的入口。它负责把客户端的请求路由到正确的 Shard 上，对客户端透明。

分片键（Shard Key）：分片的核心是选择分片键，它决定了数据如何分布。

必须是一个存在的字段，MongoDB 用它来拆分数据。
好的分片键应该满足：高基数（取值多）、低写入热点（写入均匀分布）。
常见的分片键：用户 ID、时间范围等。

第九章：Python 实战：PyMongo

讲了这么多 Shell 命令，我们来看看在实际的 Python 开发中如何使用 MongoDB。

9.1 安装与连接

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pip install pymongo

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from pymongo import MongoClient
from pymongo.errors import ConnectionFailure, OperationFailure

# 连接数据库
client = MongoClient(
    "mongodb://admin:your_strong_password@localhost:27017/?authSource=admin",
    maxPoolSize=50,  # 连接池最大连接数
    minPoolSize=5    # 最小空闲连接
)

# 测试连接
try:
    client.admin.command('ping')
    print("连接成功！")
except ConnectionFailure:
    print("服务器不可达")

9.2 增删改查

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# 获取数据库和集合
db = client["test_db"]
users_col = db["users"]

# 1. 插入
result = users_col.insert_one({
    "name": "张三",
    "age": 25,
    "hobbies": ["篮球", "游戏"]
})
print("插入ID:", result.inserted_id)

# 2. 查询
user = users_col.find_one({"name": "张三"})
print(user)

# 条件查询
for user in users_col.find({"age": {"$gt": 20}}).sort("age", -1):
    print(user)

# 3. 更新
users_col.update_one(
    {"name": "张三"},
    {"$set": {"age": 26}}
)

# 4. 删除
users_col.delete_one({"name": "张三"})

9.3 单例工具类封装

在项目中，我们通常会封装一个 MongoDB 工具类，保证全局只有一个连接。

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from pymongo import MongoClient
from pymongo.errors import ServerSelectionTimeoutError

class MongoUtil:
    _instance = None
    _client = None
    
    def __init__(self):
        # 配置从配置文件读取
        self.uri = "mongodb://admin:password@localhost:27017/?authSource=admin"
        self.db_name = "test_db"
        self._init_client()
    
    @classmethod
    def get_instance(cls):
        if not cls._instance:
            cls._instance = MongoUtil()
        return cls._instance
    
    def _init_client(self):
        try:
            self._client = MongoClient(
                self.uri,
                maxPoolSize=100,
                serverSelectionTimeoutMS=5000
            )
            self._client.admin.command('ping')
        except Exception as e:
            raise Exception(f"MongoDB连接失败: {e}")
    
    def get_db(self):
        return self._client[self.db_name]
    
    def get_collection(self, col_name):
        return self.get_db()[col_name]

# 使用
mongo = MongoUtil.get_instance()
users_col = mongo.get_collection("users")

第十章：生产环境运维与最佳实践

10.1 监控

mongostat：实时监控 QPS、连接数、锁等状态。
mongotop：监控每个集合的读写耗时。
Prometheus + Grafana：搭建可视化监控面板。

10.2 备份恢复

mongodump / mongorestore：二进制备份，推荐生产环境使用。

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# 备份
mongodump -d test_db -o /backup/20240504

# 恢复
mongorestore -d test_db /backup/20240504/test_db

mongoexport / mongoimport：导出 JSON/CSV 格式，适合数据迁移。

10.3 最佳实践

永远不要在生产环境开启公网访问，使用内网或 VPN。
永远开启认证，不要使用匿名访问。
合理设计 Schema，优先使用嵌入式文档，减少 Join。
不要过度索引，每个索引都会拖慢写入速度。
禁止大事务，事务会锁住资源，影响性能。
分页优化：深分页（大 skip）很慢，用 _id 游标分页代替。

参考资料

Date: 2026-05-04 Version: MongoDB 7.0

前言