深入剖析 MongoDB 架構
近日，軟體工程師Ricky Ho的在 他的部落格裡發表了一篇關於MongoDB架構（ MongoDB Architecture）的博文，雖然這是一個聽起來感覺很寬泛的話題，但是作者在文章中確實對MongoDB由內至外的架構進行了剖析。本文截取了其文章中的幾張重點架構示意圖進行簡要描述。
1、MongoDB資料檔案內部結構
MongoDB在資料儲存上按名稱空間來劃分，一個Collection是一個名稱空間，一個索引也是一個名稱空間。
同一個名稱空間的資料被分成很多個Extent，Extent之間使用雙向連結串列連線。
在每一個Extent中，儲存了具體每一行的資料，這些資料也是通過雙向連結來連線的。
每一行資料儲存空間不僅包括資料佔用空間，還可能包含一部分附加空間，這使得在資料Update變大後可以不移動位置。
索引以BTree結構實現。
2、在MongoDB中實現事務
眾所周知， MongoDB只支援對單行記錄的原子性修改，並不支援對多行資料的原子操作。但是通過上圖中的不可思議的操作步驟，實際上你也可以自己實現該事務。 其步驟如下：
第1步：先記錄一條事務記錄，將要修改的多行記錄的修改值寫到裡面，並設定其狀態為init（如果這時候操作中斷，那麼在重新啟動時，會判斷到它處於init狀態，從而將其儲存的多行修改操作應用到具體的行上）。
第2步：然後更新具體要修改的行，將剛才寫的事務記錄的標識寫到它的tran欄位中。
第3步：將事務記錄的狀態從init變成pending（如果在這時候操作中斷，那麼在重新啟動時，會判斷到它的狀態是pending，這時查 看其所有對應的多條要修改的記錄，如果其tran值不為空，那麼就進行第4步；如果值為空，說明第4步已經執行過了，直接將其狀態從pending變成 commited就行）。
第4步：將需要修改的多條記錄的相應值加以修改，並且unset掉之前的tran欄位。
第5步：將事務記錄那一條的狀態從pending變成commited，事務至此完成。
其實上面的步驟並不罕見，在支援事務的DBMS中，其事務原子性提交的保證大多都與上面類似。而事務記錄的tran那條記錄，就類似於這些DBMS中的redolog。
3、MongoDB資料同步
MongoDB採用Replica Sets模式的同步流程
本流程可簡要描述如下：
紅色箭頭表示寫操作可以寫到Primary上，然後非同步同步到多個Secondary上。
藍色箭頭表示讀操作可以從Primary或Secondary任意一箇中讀取。
各個Primary與Secondary之間一直保持心跳同步檢測，用於判斷Replica Sets的狀態。
4、分片機制
MongoDB的分片是指定一個分片key來進行，資料按範圍分成不同的chunk，每個chunk的大小有限制。
有多個分片節點儲存這些chunk，每個節點儲存一部分的chunk。
每一個分片節點都是一個Replica Sets，這樣保證資料的安全性。
當一個chunk超過其限制的最大體積時，會分裂成兩個小的chunk。
當chunk在分片節點中分佈不均衡時，會引發chunk遷移操作。
5、伺服器角色
前面講了分片的機制，下面是具體在分片時幾種節點的角色：
客戶端訪問路由節點mongos來進行資料讀寫。
config伺服器儲存了兩個對映關係，一個是key值的區間對應哪一個chunk的對映關係，另一個是chunk存在哪一個分片節點的對映關係。
路由節點通過config伺服器獲取資料資訊，通過這些資訊，找到真正存放資料的分片節點進行對應操作。
路由節點還會在寫操作時判斷當前chunk是否超出限定大小。如果超出，就分列成兩個chunk。
對於按分片key進行的查詢和update操作來說，路由節點會查到具體的chunk然後再進行相關的工作。
對於不按分片key進行的查詢和update操作來說，mongos會對所有下屬節點發送請求然後再對返回結果進行合併。
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