MongoDB启动与配置指南

一、MongoDB 简介

MongoDB 是一款基于分布式文件存储的开源数据库系统，由 C++ 语言编写。它以其灵活的数据模型（BSON，一种类似 JSON 的二进制格式）、高可扩展性、高性能等特点，在现代应用开发中广泛应用，尤其适用于处理大量非结构化和半结构化数据。

二、安装 MongoDB

在开始启动和配置 MongoDB 之前，首先需要确保 MongoDB 已经正确安装在你的系统上。不同操作系统有不同的安装方式：

（一）Windows 系统安装

1. 下载安装包：从 MongoDB 官方网站（https://www.mongodb.com/try/download/community）下载适用于 Windows 的安装包。
2. 运行安装程序：双击下载的 .msi 文件，按照安装向导提示进行安装。在安装过程中，可以选择安装路径、是否添加到系统路径等选项。建议勾选“Add MongoDB to the system PATH”，方便后续操作。
3. 创建数据目录：默认情况下，MongoDB 需要一个数据存储目录，通常为 C:\data\db。如果该目录不存在，需要手动创建。

（二）Linux 系统安装（以 Ubuntu 为例）

1. 导入 MongoDB 官方 GPG 密钥：

wget -qO - https://www.mongodb.org/static/pgp/server-6.0.asc | sudo apt-key add -

2. 创建 MongoDB 软件源列表文件：

echo "deb [ arch=amd64,arm64 ] https://repo.mongodb.org/apt/ubuntu focal/mongodb-org/6.0 multiverse" | sudo tee /etc/apt/sources.list.d/mongodb-org-6.0.list

3. 更新软件包列表并安装 MongoDB：

sudo apt-get update
sudo apt-get install -y mongodb-org

（三）MacOS 系统安装

1. 使用 Homebrew 安装：如果已经安装了 Homebrew，可以直接在终端执行以下命令安装 MongoDB：

brew install mongodb-community

2. 创建数据目录：MongoDB 默认的数据目录为 /data/db，需要手动创建并设置权限：

sudo mkdir -p /data/db
sudo chown -R `id -un` /data/db

三、启动 MongoDB

（一）使用默认配置启动

1. Windows 系统：打开命令提示符，进入 MongoDB 的 bin 目录（如果安装时添加到系统路径，则无需进入该目录），执行以下命令启动 MongoDB：

mongod

2. Linux 系统：在终端执行以下命令启动 MongoDB 服务：

sudo systemctl start mongod

可以通过以下命令检查服务状态：

sudo systemctl status mongod

3. MacOS 系统：在终端执行以下命令启动 MongoDB：

mongod --config /usr/local/etc/mongod.conf

如果使用 Homebrew 安装，也可以通过以下命令管理 MongoDB 服务：

brew services start mongodb-community
brew services stop mongodb-community
brew services restart mongodb-community

（二）使用自定义配置文件启动

1. 创建配置文件：在合适的目录下创建一个配置文件，例如 mongod.conf。以下是一个简单的配置文件示例：

systemLog:
  destination: file
  path: /var/log/mongodb/mongod.log
  logAppend: true
storage:
  dbPath: /var/lib/mongodb
  journal:
    enabled: true
net:
  bindIp: 127.0.0.1
  port: 27017

上述配置文件中： - systemLog 部分配置了日志相关设置，日志输出到文件 /var/log/mongodb/mongod.log 并采用追加模式。 - storage 部分指定了数据存储目录为 /var/lib/mongodb 并启用了日志功能。 - net 部分设置了绑定的 IP 地址为本地回环地址 127.0.0.1，端口为默认的 27017。 2. 启动 MongoDB：根据不同操作系统，使用以下命令启动 MongoDB 并指定配置文件： - Windows 系统：在命令提示符中执行：

mongod --config "C:\path\to\mongod.conf"

- **Linux 系统**：

sudo mongod --config /etc/mongod.conf

- **MacOS 系统**：

mongod --config /usr/local/etc/mongod.conf

四、基本配置选项详解

（一）系统日志配置

1. destination：指定日志输出目的地，可以是 file（文件）或 syslog（系统日志）。如果选择 file，还需要指定 path。
2. path：日志文件的路径。例如：

systemLog:
  destination: file
  path: /var/log/mongodb/mongod.log

3. logAppend：设置为 true 表示追加日志，false 则表示覆盖日志。

（二）存储配置

1. dbPath：指定数据库的数据存储目录。例如：

storage:
  dbPath: /var/lib/mongodb

2. journal：启用或禁用 MongoDB 的日志功能。启用日志可以确保数据的一致性和持久性。

storage:
  journal:
    enabled: true

（三）网络配置

1. bindIp：指定 MongoDB 绑定的 IP 地址。默认情况下，只绑定 127.0.0.1，即只能本地访问。如果要允许远程访问，可以设置为服务器的公网 IP 地址或 0.0.0.0（允许所有 IP 访问，但安全性较低）。

net:
  bindIp: 127.0.0.1

2. port：指定 MongoDB 监听的端口，默认是 27017。

net:
  port: 27017

（四）安全配置

1. authorization：启用身份验证。在生产环境中，强烈建议启用身份验证以保护数据库安全。设置为 enabled 表示启用身份验证。

security:
  authorization: enabled

2. keyFile：用于副本集和分片集群的内部身份验证。每个节点都必须有相同的 keyFile。例如：

security:
  keyFile: /path/to/keyfile

五、配置副本集

副本集是 MongoDB 提供的一种高可用性机制，由多个 MongoDB 节点组成，其中一个为主节点（Primary），其余为从节点（Secondary）。主节点负责处理写操作，从节点复制主节点的数据。

（一）初始化副本集

1. 启动多个 MongoDB 实例：假设我们要创建一个包含三个节点的副本集，分别在不同端口启动三个 MongoDB 实例。以下以 Windows 系统为例，在三个不同的命令提示符窗口中执行：

mongod --port 27017 --dbpath C:\data\db1 --replSet rs0
mongod --port 27018 --dbpath C:\data\db2 --replSet rs0
mongod --port 27019 --dbpath C:\data\db3 --replSet rs0

上述命令中，--port 指定了端口号，--dbpath 指定了数据存储目录，--replSet 指定了副本集名称为 rs0。 2. 连接到其中一个实例并初始化副本集：打开 MongoDB 客户端（mongo），连接到其中一个实例，例如端口 27017 的实例：

mongo --port 27017

在 MongoDB 客户端中执行以下命令初始化副本集：

rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "localhost:27017" },
    { _id: 1, host: "localhost:27018" },
    { _id: 2, host: "localhost:27019" }
  ]
})

上述命令中，_id 为副本集名称，members 数组中定义了副本集中的各个节点。

（二）查看副本集状态

在 MongoDB 客户端中执行以下命令查看副本集状态：

rs.status()

该命令会返回副本集的详细状态信息，包括主节点、从节点的状态，数据同步情况等。

（三）故障转移与自动选举

当主节点发生故障时，副本集中的从节点会自动选举出一个新的主节点，以确保服务的可用性。例如，模拟主节点故障：

1. 找到当前主节点：通过 rs.status() 命令查看当前主节点。
2. 停止主节点实例：在相应的命令提示符窗口中按 Ctrl + C 停止主节点的 MongoDB 实例。
3. 查看副本集状态：再次执行 rs.status() 命令，可以看到从节点已经选举出了新的主节点。

六、配置分片集群

分片集群是 MongoDB 用于处理大规模数据和高并发读写的解决方案。它将数据分散存储在多个分片（Shard）上，每个分片可以是一个独立的副本集。

（一）准备工作

1. 启动配置服务器：配置服务器存储分片集群的元数据。假设启动三个配置服务器，分别在不同端口启动：

mongod --configsvr --port 27019 --dbpath C:\data\config1 --replSet configRS
mongod --configsvr --port 27020 --dbpath C:\data\config2 --replSet configRS
mongod --configsvr --port 27021 --dbpath C:\data\config3 --replSet configRS

2. 初始化配置服务器副本集：连接到其中一个配置服务器实例，例如端口 27019 的实例：

mongo --port 27019

在 MongoDB 客户端中执行以下命令初始化配置服务器副本集：

rs.initiate({
  _id: "configRS",
  members: [
    { _id: 0, host: "localhost:27019" },
    { _id: 1, host: "localhost:27020" },
    { _id: 2, host: "localhost:27021" }
  ]
})

（二）启动分片服务器

假设启动两个分片，每个分片是一个副本集：

1. 启动第一个分片的副本集：

mongod --shardsvr --port 27022 --dbpath C:\data\shard1a --replSet shard1
mongod --shardsvr --port 27023 --dbpath C:\data\shard1b --replSet shard1

2. 初始化第一个分片的副本集：连接到其中一个实例，例如端口 27022 的实例：

mongo --port 27022

在 MongoDB 客户端中执行：

rs.initiate({
  _id: "shard1",
  members: [
    { _id: 0, host: "localhost:27022" },
    { _id: 1, host: "localhost:27023" }
  ]
})

3. 同样的方式启动和初始化第二个分片：

mongod --shardsvr --port 27024 --dbpath C:\data\shard2a --replSet shard2
mongod --shardsvr --port 27025 --dbpath C:\data\shard2b --replSet shard2

初始化：

rs.initiate({
  _id: "shard2",
  members: [
    { _id: 0, host: "localhost:27024" },
    { _id: 1, host: "localhost:27025" }
  ]
})

（三）启动路由服务器（mongos）

路由服务器负责接收客户端请求，并将请求转发到相应的分片。启动一个 mongos 实例：

mongos --configdb configRS/localhost:27019,localhost:27020,localhost:27021 --port 27017

上述命令中，--configdb 指定了配置服务器副本集的地址，--port 指定了 mongos 监听的端口。

（四）添加分片到集群

连接到 mongos 实例：

mongo --port 27017

在 MongoDB 客户端中执行以下命令添加分片：

sh.addShard("shard1/localhost:27022,localhost:27023")
sh.addShard("shard2/localhost:27024,localhost:27025")

（五）启用分片

在 mongos 客户端中，对需要分片的数据库和集合启用分片：

1. 启用数据库分片：

sh.enableSharding("test")

2. 指定分片键并启用集合分片：

sh.shardCollection("test.users", { user_id: 1 })

上述命令中，test 是数据库名称，users 是集合名称，{ user_id: 1 } 是分片键，表示根据 user_id 字段进行分片。

七、配置身份验证

（一）创建管理员用户

1. 以无身份验证模式启动 MongoDB：如果已经启用了身份验证，可以先修改配置文件，将 security.authorization 设置为 disabled，然后重启 MongoDB。
2. 连接到 MongoDB 实例：

mongo

3. 切换到 admin 数据库：

use admin

4. 创建管理员用户：

db.createUser({
  user: "admin",
  pwd: "password",
  roles: [ { role: "userAdminAnyDatabase", db: "admin" } ]
})

上述命令创建了一个名为 admin，密码为 password 的管理员用户，该用户具有管理所有数据库用户的权限。

（二）启用身份验证

1. 修改配置文件：将配置文件中的 security.authorization 设置为 enabled。

security:
  authorization: enabled

2. 重启 MongoDB：根据不同操作系统，使用相应的命令重启 MongoDB 服务。

（三）使用身份验证连接

1. 使用用户名和密码连接：

mongo -u "admin" -p "password" --authenticationDatabase "admin"

2. 在应用程序中使用身份验证：以 Python 的 pymongo 库为例：

from pymongo import MongoClient

client = MongoClient('mongodb://admin:password@localhost:27017/admin')
db = client['test']
collection = db['users']

八、性能优化配置

（一）内存配置

1. mmapv1 存储引擎：在早期版本中，mmapv1 是默认存储引擎。可以通过配置 storage.mmapv1.smallFiles 来调整内存使用。smallFiles 设置为 true 时，会使用较小的文件，适用于内存有限的情况，但可能会影响性能。

storage:
  mmapv1:
    smallFiles: true

2. WiredTiger 存储引擎：从 MongoDB 3.2 开始，WiredTiger 成为默认存储引擎。可以通过 storage.wiredTiger.engineConfig.cacheSizeGB 配置缓存大小，建议将缓存大小设置为服务器物理内存的 50% 左右，但不要超过物理内存。

storage:
  wiredTiger:
    engineConfig:
      cacheSizeGB: 2

（二）索引优化

1. 创建索引：在 MongoDB 客户端中，可以使用 createIndex 方法创建索引。例如，为 users 集合的 email 字段创建索引：

use test
db.users.createIndex({ email: 1 })

2. 分析查询计划：使用 explain 方法分析查询计划，以确定是否使用了正确的索引。例如：

db.users.find({ email: "test@example.com" }).explain()

（三）连接池优化

在应用程序中，合理配置连接池可以提高性能。以 Java 的 MongoClient 为例，可以通过 MongoClientOptions 配置连接池大小等参数：

import com.mongodb.client.MongoClients;
import com.mongodb.client.MongoClient;
import com.mongodb.client.MongoCollection;
import com.mongodb.client.MongoDatabase;
import org.bson.Document;

import com.mongodb.ConnectionString;
import com.mongodb.MongoClientSettings;
import com.mongodb.client.MongoClients;
import com.mongodb.client.MongoClient;
import com.mongodb.client.MongoCollection;
import com.mongodb.client.MongoDatabase;
import com.mongodb.connection.ConnectionPoolSettings;
import org.bson.Document;

import java.util.concurrent.TimeUnit;

public class MongoDBExample {
    public static void main(String[] args) {
        ConnectionPoolSettings connectionPoolSettings = ConnectionPoolSettings.builder()
              .maxSize(100)
              .maxWaitTime(1, TimeUnit.MINUTES)
              .build();

        MongoClientSettings settings = MongoClientSettings.builder()
              .applyConnectionString(new ConnectionString("mongodb://localhost:27017"))
              .applyToConnectionPoolSettings(builder -> builder.applySettings(connectionPoolSettings))
              .build();

        MongoClient mongoClient = MongoClients.create(settings);
        MongoDatabase database = mongoClient.getDatabase("test");
        MongoCollection<Document> collection = database.getCollection("users");
    }
}

九、常见问题及解决方法

（一）启动失败

1. 端口被占用：如果启动 MongoDB 时提示端口被占用，可以通过以下命令查看占用端口的进程并终止它：
   • Windows 系统：

netstat -ano | findstr :27017
taskkill /F /PID <PID>

- **Linux 系统**：

sudo lsof -i :27017
sudo kill -9 <PID>

- **MacOS 系统**：

lsof -i :27017
kill -9 <PID>

2. 数据目录权限问题：确保 MongoDB 数据目录的权限正确，例如在 Linux 系统中，需要确保 mongodb 用户对数据目录有读写权限。

（二）副本集同步问题

1. 网络问题：检查副本集节点之间的网络连接是否正常，可以使用 ping 和 telnet 命令测试。
2. 配置问题：确保副本集各个节点的配置一致，包括副本集名称、节点地址等。可以通过 rs.conf() 命令查看和修改副本集配置。

（三）分片集群问题

1. 配置服务器故障：如果配置服务器出现故障，可能导致分片集群无法正常工作。可以通过查看配置服务器的日志文件（通常在配置文件中指定的日志路径）来排查问题。
2. 分片不均衡：如果发现数据在分片上分布不均衡，可以使用 sh.status() 命令查看分片状态，并通过 sh.moveChunk 命令手动移动数据块。例如：

sh.moveChunk("test.users", { user_id: MinKey }, "shard1")

通过以上详细的启动与配置指南，你应该能够熟练地启动、配置和优化 MongoDB，使其满足不同应用场景的需求。无论是单机开发环境，还是高可用、大规模数据处理的生产环境，正确的配置和优化都能确保 MongoDB 的性能和稳定性。在实际应用中，还需要根据具体业务需求和系统资源情况进行灵活调整。