Przewodnik po MongoDB. Wydajna i skalowalna baza danych. Wydanie III - ebook

MongoDB jest wieloplatformowym, nierelacyjnym systemem do obsługi baz danych, napisanym w języku C++. Nie przypomina ściśle ustrukturyzowanych relacyjnych baz danych, zamiast tego korzysta z dokumentów w formacie BSON. Ułatwia to bardziej naturalne przetwarzanie informacji w aplikacjach, oczywiście przy zachowaniu możliwości tworzenia hierarchii oraz indeksowania. W ten sposób cały system zyskuje na wydajności, co jest szczególnie istotne przy przetwarzaniu bardzo dużych zbiorów danych. MongoDB umożliwia stosowanie elastycznych modeli danych, uzyskiwanie wysokiego poziomu dostępności i poziome skalowanie.

Ten praktyczny przewodnik jest przeznaczony dla użytkowników bazy MongoDB w wersji 4.2. W przystępny i konkretny sposób opisuje zalety stosowania dokumentowych baz danych, równocześnie wskazuje zaawansowane metody konfiguracji systemu oraz możliwe zastosowania w różnych projektach. Książka zainteresuje zarówno użytkowników i administratorów MongoDB, jak i programistów tworzących złożone aplikacje. Przedstawia kwestie tworzenia zapytań, indeksów, agregacji, transakcji, zbiorów replik, zarządzania systemem, shardingu i administrowania danymi, trwałości danych, monitorowania systemu oraz jego zabezpieczenia. Znalazło się tu także wprowadzenie do pracy z MongoDB, omówiono też zasady pracy z klastrem shardów oraz administrowania aplikacją i serwerem bazy MongoDB.

W książce między innymi:

• ogólne zasady pracy z MongoDB
• operacje zapisu i wyszukiwania oraz tworzenie złożonych zapytań
• indeksy w kolekcjach, agregowanie danych i transakcje
• lokalny zbiór replik i korzystanie z replikacji
• konfiguracja elementów klastra
• monitorowanie systemu, kopie bezpieczeństwa i odtwarzanie bazy MongoDB

MongoDB - przekonaj się na własnym systemie!

Przedmowa 15

CZĘŚĆ I. WPROWADZENIE DO MONGODB 19

1. Wprowadzenie 21

• Łatwość użycia 21
• Skalowanie 21
• Bogactwo funkcji... 23
• ...bez ograniczania prędkości 23
• Filozofia 24

2. Zaczynamy 25

• Dokumenty 25
• Kolekcje 26
  
  • Dynamiczne schematy 26
  • Nazewnictwo 27
• Bazy danych 28
• Pobieranie i uruchamianie MongoDB 29
• Wprowadzenie do powłoki MongoDB 30
  
  • Uruchamianie powłoki 31
  • Klient MongoDB 31
  • Podstawowe operacje w powłoce 32
• Typy danych 34
  
  • Proste typy danych 34
  • Daty 36
  • Tablice 37
  • Zagnieżdżone dokumenty 37
  • Klucz _id i typ ObjectId 38
• Używanie powłoki MongoDB 40
  
  • Porady przy używaniu powłoki 40
  • Uruchamianie skryptów w powłoce 41
  • Tworzenie pliku .mongorc.js 43
  • Dostosowywanie znaku zachęty 44
  • Edytowanie złożonych zmiennych 45
  • Niewygodne nazwy kolekcji 45

3. Tworzenie, aktualizowanie i usuwanie dokumentów 47

• Wstawianie dokumentów 47
  
  • Metoda insertMany 47
  • Sprawdzanie poprawności wstawiania 50
  • Metoda insert 50
• Usuwanie dokumentów 51
  
  • Metoda drop 52
• Aktualizowanie dokumentów 52
  
  • Zastępowanie dokumentów 53
  • Używanie operatorów aktualizacji 54
  • Operacje typu upsert 64
  • Aktualizowanie wielu dokumentów 66
  • Zwracanie zaktualizowanych dokumentów 67

4. Zapytania 71

• Metoda find 71
  
  • Wybieranie zwracanych kluczy 72
  • Ograniczenia 72
• Kryteria zapytania 73
  
  • Zapytania warunkowe 73
  • Zapytania LUB 74
  • Operator $not 75
• Zapytania związane z różnymi typami 75
  
  • Typ null 75
  • Wyrażenia regularne 76
  • Zapytania dotyczące tablic 77
  • Zapytania do dokumentów zagnieżdżonych 81
• Zapytania $where 83
• Kursory 84
  
  • Limity, pominięcia i sortowanie 85
  • Unikanie pomijania dużej liczby dokumentów 87
  • Nieśmiertelne kursory 89

CZĘŚĆ II. PROJEKTOWANIE APLIKACJI 91

5. Indeksy 93

• Wprowadzenie do indeksów 93
  
  • Tworzenie indeksu 95
  • Wprowadzenie do indeksów złożonych 98
  • W jaki sposób MongoDB wybiera indeks? 102
  • Używanie indeksów złożonych 103
  • W jaki sposób operatory $ korzystają z indeksów? 120
  • Indeksowanie obiektów i tablic 130
  • Liczność indeksu 132
• Dane z polecenia explain 132
• Kiedy nie używać indeksu? 140
• Rodzaje indeksów 141
  
  • Indeksy unikalne 141
  • Indeksy częściowe 143
• Administrowanie indeksem 144
  
  • Identyfikowanie indeksów 145
  • Zmienianie indeksów 146

6. Specjalne typy indeksów i kolekcji 147

• Indeksy geoprzestrzenne 147
  
  • Rodzaje zapytań geoprzestrzennych 148
  • Używanie indeksów geoprzestrzennych 149
  • Złożone indeksy geoprzestrzenne 157
  • Indeksy 2d 157
• Indeksy wyszukiwania pełnotekstowego 159
  
  • Tworzenie indeksu tekstowego 160
  • Wyszukiwanie tekstowe 161
  • Optymalizowanie wyszukiwania pełnotekstowego 163
  • Wyszukiwanie w innych językach 164
• Kolekcje ograniczone 164
  
  • Tworzenie kolekcji ograniczonych 166
  • Wieczne kursory 167
• Indeksy o ograniczonym czasie życia 167
• Przechowywanie plików za pomocą GridFS 168
  
  • Zaczynamy pracę z GridFS - mongofiles 168
  • Praca z GridFS w sterownikach MongoDB 169
  • Pod maską 170

7. Wprowadzenie do frameworka agregacji 173

• Potoki, etapy i regulatory 173
• Praca z etapami - typowe operacje 175
• Wyrażenia 179
  
  • Etap typu $project 180
  • Etap typu $unwind 185
• Wyrażenia tablicowe 192
• Akumulatory 196
  
  • Używanie akumulatorów w etapie projekcji 197
• Wprowadzenie do grupowania 198
  
  • Pole _id w etapie grupowania 202
  • Etap grupowania i etap projekcji 205
• Zapisywanie wyników potoku agregacji do kolekcji 208

8. Transakcje 209

• Wprowadzenie do transakcji 209
  
  • Definicja standardu ACID 209
• Jak używać transakcji? 210
• Dostosowywanie limitów transakcji w swojej aplikacji 214
  
  • Ograniczenia czasowe i limity wielkości protokołu 215

9. Projektowanie aplikacji 217

• Projektowanie schematu danych 217
  
  • Wzorce projektowe schematów 218
• Normalizacja i denormalizacja 221
  
  • Przykłady reprezentacji danych 222
  • Kardynalność 226
  • Znajomi, obserwujący i inne nieprzyjemności 226
• Optymalizowanie manipulacji na danych 229
  
  • Usuwanie starych danych 229
• Planowanie baz danych i kolekcji 230
• Spójność danych 231
• Migrowanie schematów 232
• Zarządzanie schematami 233
• Kiedy nie używać MongoDB? 233

CZĘŚĆ III. REPLIKACJA 235

10. Konfigurowanie zbioru replik 237

• Wprowadzenie do replikacji 237
• Konfigurowanie zbioru replik, część 1. 238
• Przemyślenia na temat sieci 239
• Przemyślenia na temat bezpieczeństwa 239
• Konfigurowanie zbioru replik, część 2. 240
• Kontrolowanie replikacji 243
• Modyfikowanie konfiguracji zbioru replik 248
• Jak zaprojektować zbiór? 250
  
  • Jak działa wybieranie serwera podstawowego? 252
• Opcje konfiguracji elementów zbioru replik 253
  
  • Priorytet 254
  • Ukrywanie serwerów 254
  • Arbiter wyborów 255
  • Tworzenie indeksów 257

11. Komponenty zbioru replik 259

• Synchronizacja 259
  
  • Synchronizacja początkowa 261
  • Replikacja 263
  • Jak radzić sobie z przestarzałymi danymi? 263
• Żądania heartbeat 263
  
  • Stany elementów zbioru 264
• Wybory 265
• Cofanie zmian 266
  
  • Gdy cofanie operacji się nie powiedzie 269

12. Łączenie aplikacji ze zbiorem replik 271

• Zachowania związane z łączeniem klienta ze zbiorem replik 271
• Oczekiwanie na replikację operacji zapisu 273
  
  • Pozostałe wartości klucza "w" 275
• Definiowanie gwarancji dla replikacji 275
  
  • Gwarantowany jeden serwer na centrum danych 275
  • Gwarancja większości nieukrytych serwerów 277
  • Tworzenie innych gwarancji 277
• Wysyłanie żądań odczytu do serwerów wtórnych 278
  
  • Problemy ze spójnością danych 278
  • Problemy z obciążeniem serwerów 279
  • Kiedy warto korzystać z serwerów wtórnych do odczytywania danych 280

13. Administracja 283

• Uruchamianie serwerów w trybie samodzielnym 283
• Konfiguracja zbioru replik 284
  
  • Tworzenie zbioru replik 284
  • Zmienianie serwerów w zbiorze 285
  • Tworzenie większych zbiorów 285
  • Wymuszanie rekonfiguracji 286
• Manipulowanie stanem serwera 286
  
  • Przekształcanie serwera podstawowego we wtórny 287
  • Zapobieganie wyborom 287
• Monitorowanie replikacji 287
  
  • Odczytywanie statusu 288
  • Wizualizacja grafu replikacji 291
  • Pętle replikacji 292
  • Wyłączanie chainingu 292
  • Wyliczanie opóźnień 293
  • Zmiana wielkości protokołu operacji 294
  • Tworzenie indeksów 295
  • Replikacja budżetowa 296

CZĘŚĆ IV. SHARDING 299

14. Wprowadzenie do shardingu 301

• Czym jest sharding? 301
  
  • Komponenty klastra 302
• Sharding w klastrze jednoserwerowym 303

15. Konfigurowanie shardingu 313

• Kiedy stosować sharding? 313
• Uruchamianie serwerów 314
  
  • Serwery konfiguracji 314
  • Procesy mongos 315
  • Tworzenie sharda ze zbioru replik 316
  • Zwiększanie pojemności 319
  • Dzielenie danych 320
• W jaki sposób MongoDB kontroluje dane klastra? 320
  
  • Zakresy kawałków 321
  • Dzielenie kawałków 323
• Równoważenie obciążeń 325
• Zestawienia 326
• Strumienie zmian 326

16. Wybieranie klucza shardingu 329

• Mierzenie sposobu używania kolekcji 329
• Rozrysowywanie rozdziału danych 330
  
  • Rosnące klucze shardingu 330
  • Klucze shardingu o losowym rozkładzie 333
  • Klucze shardingu zależne od lokalizacji 335
• Strategie kluczy shardingu 336
  
  • Haszowany klucz shardingu 336
  • Haszowane klucze shardingu dla systemu GridFS 338
  • Strategia węża strażackiego 338
  • Hotspoty 339
• Reguły i wskazówki dotyczące kluczy shardingu 341
  
  • Ograniczenia kluczy shardingu 341
  • Kardynalność kluczy shardingu 343
• Kontrolowanie rozdziału danych 343
  
  • Używanie klastra z wieloma bazami danych i kolekcjami 343
  • Sharding manualny 345

17. Administrowanie shardingiem 347

• Sprawdzanie aktualnego stanu 347
  
  • Przeglądanie podsumowania za pomocą metody sh.status() 347
  • Przeglądanie informacji o konfiguracji 349
• Kontrolowanie połączeń sieciowych 355
  
  • Pobieranie statystyk dotyczących połączeń 355
  • Ograniczanie liczby połączeń 362
• Administrowanie serwerem 363
  
  • Dodawanie serwerów 363
  • Zmienianie serwerów w shardzie 363
  • Usuwanie sharda 364
• Równoważenie danych 367
  
  • Proces równoważący 367
  • Zmiana wielkości kawałka 368
  • Przenoszenie kawałków 369
  • Wielkie kawałki 371
  • Odświeżanie konfiguracji 374

CZĘŚĆ V. ADMINISTROWANIE APLIKACJĄ 375

18. Kontrolowanie działania aplikacji 377

• Przeglądanie aktualnych operacji 377
  
  • Wyszukiwanie problematycznych operacji 380
  • Zatrzymywanie operacji 380
  • Fałszywe alarmy 381
  • Zapobieganie powstawaniu fantomowych operacji 381
• Używanie profilera systemowego 382
• Wyliczanie wielkości 385
  
  • Dokumenty 385
  • Kolekcje 386
  • Bazy danych 390
• Używanie narzędzi mongotop i mongostat 391

19. Wprowadzenie do bezpieczeństwa MongoDB 395

• Uwierzytelnianie i autoryzacja 395
  
  • Mechanizmy uwierzytelniania 395
  • Autoryzacja 396
  • Stosowanie certyfikatów X.509 do uwierzytelniania serwerów i klientów 398
• Samouczek uwierzytelniania i szyfrowania komunikacji w MongoDB 400
  
  • Tworzenie centrum certyfikacji 400
  • Generowanie i podpisywanie certyfikatów serwerów 405
  • Generowanie i podpisywanie certyfikatów klientów 406
  • Uruchamianie zbioru replik bez włączonego uwierzytelniania i autoryzacji 406
  • Tworzenie użytkownika administracyjnego 407
  • Ponowne uruchomienie zbioru replik z włączonym uwierzytelnianiem i autoryzacją 408

20. Trwałość danych 411

• Trwałość danych na poziomie serwera dzięki mechanizmowi księgowania 411
• Trwałość danych na poziomie klastra dzięki opcjom "write concern" 413
  
  • Opcje "w" i "wtimeout" 413
  • Używanie opcji "j" w dokumencie writeConcern 414
• Trwałość danych na poziomie klastra dzięki opcjom "read concern" 415
• Trwałość danych w transakcjach dzięki opcjom "write concern" 415
• Czego MongoDB nie gwarantuje? 416
• Poszukiwanie uszkodzeń danych 417

CZĘŚĆ VI. ADMINISTROWANIE SERWEREM 419

21. Konfigurowanie MongoDB w środowisku produkcyjnym 421

• Uruchamianie z wiersza poleceń 421
  
  • Konfiguracja zapisana w pliku 425
• Zatrzymywanie serwera MongoDB 426
• Bezpieczeństwo 426
  
  • Szyfrowanie danych 427
  • Połączenia SSL 428
• Protokołowanie 428

22. Monitorowanie MongoDB 431

• Monitorowanie wykorzystania pamięci 431
  
  • Wprowadzenie do pamięci komputerów 431
  • Kontrolowanie wykorzystania pamięci 432
  • Kontrolowanie liczby błędów stron 433
  • Parametr I/O wait 435
• Wyliczanie wielkości zbioru roboczego 435
  
  • Kilka przykładów zbiorów roboczych 437
• Kontrolowanie wydajności 437
• Kontrolowanie wolnej przestrzeni na dysku 439
• Monitorowanie procesu replikacji 439

23. Tworzenie kopii zapasowych 443

• Metody tworzenia kopii zapasowych 443
• Tworzenie kopii zapasowej serwera 444
  
  • Migawka systemu plików 444
  • Kopiowanie plików z danymi 447
  • Używanie narzędzia mongodump 449
• Szczególny przypadek kopii zapasowej zbioru replik 451
• Szczególny przypadek kopii zapasowej klastra shardów 452
  
  • Tworzenie kopii zapasowej całego klastra i jej odtwarzanie 453
  • Tworzenie kopii zapasowej pojedynczego sharda i jej odtwarzanie 453

24. Wdrożenia MongoDB 455

• Projektowanie systemu 455
  
  • Wybieranie nośników danych 455
  • Zalecane konfiguracje macierzy RAID 456
  • Procesor 457
  • System operacyjny 457
  • Przestrzeń wymiany 458
  • System plików 458
• Wirtualizacja 459
  
  • Nadmierne używanie pamięci 459
  • Tajemnicza pamięć 459
  • Problemy z dyskami sieciowymi 459
  • Używanie dysków niesieciowych 461
• Konfigurowanie ustawień systemowych 461
  
  • Wyłączanie opcji NUMA 461
  • Opcja readahead 463
  • Wyłączanie opcji THP 464
  • Wybieranie algorytmu planisty dysku 465
  • Wyłączanie śledzenia czasu dostępu 465
  • Modyfikowanie limitów 466
• Konfigurowanie sieci 467
• Porządkowanie systemu 469
  
  • Synchronizowanie zegarów 469
  • Proces OOM killer 469
  • Wyłączanie zadań okresowych 470

A. Instalowanie MongoDB 471

• Wybieranie wersji 471
• Instalowanie w systemie Windows 472
  
  • Instalowanie jako usługa 473
• Instalowanie w systemach POSIX (Linux i Mac OS X) 473
  
  • Instalowanie za pomocą menedżera pakietów 474

B. Wewnętrzne elementy MongoDB 475

• BSON 475
• Protokół komunikacji 476
• Pliki danych 476
• Przestrzenie nazw 478
• Mechanizm zapisywania danych WiredTiger 478