MongoDB的一大特色就在于其原生的橫向擴充能力，具體展現就是分片集。本篇，我們來了解一下MongoDB分片集的機制及其原理。本文簡單介紹了MongoDB分片集的機制及原理，最後介紹了MongoDB資料分片的三種基本政策。
MongoDB的一大特色就在于其原生的橫向擴充能力，具體展現就是分片集。本篇，我們來了解一下MongoDB分片集的機制及其原理。
1 為什麼要分片？
我們都知道，在關系型資料庫如MySQL中，當資料量過大造成事務執行緩慢的時候，減少每次查詢資料總量是解決之道。因為，資料量一旦過大，索引也會相應增大，這時對索引的維護成本也會增加，進而降低事務執行性能。這時，我們的總體解決思路一般都是 分表。
在MongoDB中，當資料容量日益增大通路性能日漸降低時，單庫已有巨大資料量如10TB時，我們的解決思路其實也是 分表，隻不過在MongoDB中，這叫 分片集。
分片集是MongoDB提供的一個原生的橫向擴充能力，無需引入其他的中間件就可以輕松實作。
未分片：
兩個分片集：
當使用分片之後，單個分片集的資料量就有了限制，進而保證了查詢的性能。更為重要的是，增加一個分片，使用的時間可控，這就為橫向擴充提供了良好的基礎。
2 引入分片集的部署架構
首先，我們來看看MongoDB常見部署的架構，如下圖所示：
可以看到，MongoDB可以單機運作、可以複制集運作 也可以 分片叢集運作。複制集可以保證資料的高可用，而分片叢集則可以保證橫向擴充性。
其次，我們來看看一個完整分片叢集到底長什麼樣，它如下圖所示：
從上圖所知，整個分片叢集會包括如下幾個組成部分：
（1）mongos
mongos是路由節點，它承上啟下，作為mongodb叢集的單一入口，它主要轉發應用程式端的請求 并 選擇合适的資料節點進行讀寫，最後合并多個資料節點的傳回。mongos是無狀态的，一般建議至少部署兩個節點，推薦三個。
（2）config
config是配置（目錄）節點，你可以了解為它存儲了如何分片的規則，這些規則就是中繼資料，類似于下表所示的資料：
（3）replica set 複制集
複制集節點就是最終的資料存儲節點了，以複制集為機關，橫向擴充。MongoDB允許最大有1024個分片，每個分片的資料不重複，所有分片在一起才可以完整工作。在實際應用場景中，最佳實踐是每個分片的資料量盡量不超過3TB，盡可能保持在2TB内一個分片，可以提供最佳的讀寫性能。
這裡再介紹一下，一個分片叢集内部到底包含哪些東西？
一個叢集（Cluster）包括多個分片（Shard），每個分片包含多個塊（Chunk），每個塊包含多個文檔（Document），每個文檔包含了一行含有片鍵（Shard Key）的資料，而這個片鍵就是文檔中的一個用來進行分片的字段。
最後，MongoDB分片叢集到底有什麼特點？
（1）對于應用程式端，它完全透明，不需要額外的特殊處理，隻需要對接mongos節點就行。
（2）mongos對資料自動均衡，應用程式端不需要像Memcached一樣做用戶端負載均衡。
（3）分片集可以做到動态擴容，無須對已有MongoDB服務下線。
是以，基于分片集的這些機制和特點，建議生産環境盡量使用分片叢集，當然前提是你有足夠的硬體資源如CPU、記憶體 和 磁盤。
3 分片集的資料分布政策
MongoDB分片集提供了三種資料分布的政策：
（1）基于範圍（Range）
（2）基于哈希（Hash）
（3）基于zone/tag
首先，基于範圍的資料分片很好了解，通常會按照某個字段如建立日期來區分不同範圍的資料存儲。
其優點是分片範圍的查詢性能足夠好，缺點是存在熱點資料問題，資料的分布可能會不夠均勻。
其次，基于Hash的分片政策也比較好了解，通常會按照某個字段的哈希值來确定資料存儲的位置。
其優點是資料的分布會比較均勻，缺點則是範圍查詢的效率會較低，因為可能會涉及在多個節點讀取資料并聚合。
最後，基于zone/tag的資料分片則有點不太好了解，它不是一般我們所熟知的分片方式。所謂基于zone/tag的資料分片，一般是指在兩地三中心或異地多活的應用場景中，如果資料存在地域性的通路需求，那麼就可以自定義Zone來進行分片。
通過打tag的方式，可以實作将為某個地域服務的資料存儲到指定地域的資料分片上（比如CountryCode=NewYork），最終實作本地讀和本地寫的目的。
4 分片叢集的搭建
由于MongoDB分片叢集的搭建偏運維，我這裡就不做實踐了。
網上有很多相關的操作指南，有興趣的童鞋也可以看看這篇：MongoDB 4.4.1 分片集搭建
5 總結
本文簡單介紹了MongoDB分片集的機制及原理，最後介紹了MongoDB資料分片的三種基本政策。
下一篇，我們會總結MongoDB應用開發的最佳實踐，它也會是本系列的最後一篇文章。
參考資料
唐建法，《MongoDB高手課》（極客時間）
郭遠威，《MongoDB實戰指南》（圖書）
作者：周旭龍
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