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MongoDB文档模型设计

以下文字总结来源于：极客时间 唐建法的《MongoDB高手课》。

什么是数据模型？

数据模型就是通过创建一个逻辑化、物理化的模型，来提供一个同一个层面交流的目的。

数据模型设计的元素

实体(Entity)

  • 描述业务的主要数据集合
  • 谁，什么，何时，何地，为何，如何

属性(Attribute)

  • 描述实体里面的单个信息

关系(Relationship)

  • 描述实体与实体之间的数据规则
  • 解构规则：1-N，N-1，N-N
  • 引用规则：

数据模型设计基础

传统模型设计：从概念到逻辑到物理

模型概念 CDM 逻辑模型 LDM 物理模型 PDM
目的 描述业务系统要管理的对象 基于概念模型，详细列出所有实体、实体的属性及关系 根据逻辑模型，结合数据库的物理结构，设计具体的表结构，字段列表及主外键
特点 用概念名词来描述现实中的实体及业务规则，例如"联系人" 基于业务的描述，和数据库无关 技术实现细节和具体的数据库类型相关
主要使用者 用户需求分析师 需求分析师、架构师及开发者 开发者DBA

注意：
在关系型数据库设计中，遵循第三范式原则：数据库在库里尽量不可能存在冗余。 例如“联系人地址”中，要将地址里的省份、城市、区县进行单独存储，因为多个联系人地址中该部分为共有。

MongoDB文档模型设计的三个误区

  1. 不需要设计模型
  2. MongoDB 应该用一个超级大的文档来组织所有数据
  3. MongoDB 不支持关联或事务

关于JSON 文档模型设计

  • 文档模型设计处于物理模型设计阶段(PDM)
  • JSON 文档O型通过内嵌数组或引用字段来表示关系
  • 文档模型设计不遵循第三范式，允许冗余

为什么人们都说MongodDB是无模式？

  • 严格来说，MongoDB 同样需要概念/逻辑建模
  • 文档模型设计的物理层结构可以和逻辑层类似
  • MongoDB无模式由来：可以省略物理建模的具体过程

文档模型的设计原则：性能和易用

  • 性能 Performance
  • 开发易用 Ease of Development

关系模型 VS 文档模型

| | 关系数据库 | JSON文档模型 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 模型设计层次 | 概念模型、逻辑模型、物理模型 | 概念模型、逻辑模型 |
| 模型实体 | 表 | 集合 |
| 模型属性 | 列 | 字段 |
| 模型关系 | 关联关系，主外键 | 内嵌数组，引用字段 |

MongoDB文档模型设计三步曲

步骤 说明
第1步 业务需求及逻辑模型 ——> 逻辑导向 ——> 基础建模 ——> {集合、字段、基础形状}
第2步 技术需求、读写比例、方式及数量 ——> 技术导向 ——> 工况细化 ——> {引用及关联}
第3步 经验和学习 ——> 模式导向 ——> 套用设计模式 ——> {最终模式}

注意：
以上所谓3步曲，本质上是 MongoDB 文档模型设计优化进阶的三个阶段。

第1步：建立基础文档模型

  1. 根据概念模型或者业务需求推导出逻辑模型 ——> 找到对象
  2. 列出实体之间的关系(及基数) ——> 明确关系
  3. 套用逻辑设计原则来决定内嵌方式 ——> 进行建模
  4. 完成基础模型构建

业务需求及逻辑模型 ——> 逻辑导向 ——> 基础建模 ——> {集合、字段、基础形状}

注意：
MongoDB单个文档大小不能超过16MB

第2步：根据读写工况细化

读写工况场景：

  • 最频繁的数据查询模式
  • 最常用的查询参数
  • 最频繁的数据写入模式
  • 读写操作的比例
  • 数据量的大小

基于内嵌的文档模型，根据业务需求：

  1. 使用引用来避免性能瓶颈
  2. 使用冗余来优化访问性能

技术需求、读写比例、方式及数量 ——> 技术导向 ——> 工况细化 ——> {引用及关联}

什么时候应该使用引用方式？

  1. 内嵌文档太大,数量MB或者超过16MB
  2. 内嵌文档或数组元素会频繁修改
  3. 内嵌数组元素会持续增长并且没有封顶

MongoDB引用设计的显示

  1. MongoDB对使用引用的集合之间并无主外键检查
  2. MongoDB使用聚合框架的 $lookup 来模仿关联查询
  3. $lookup 只支持 left outer join
  4. $lookup 的关联目标(from）不能是分片表

第3步：套用设计模式

文档模型：无范式，无思维定式，充分发挥想象力
设计模式：实战过屡试不爽的设计技巧，快速应用

举例：一个loT(物联网)场景的分桶设计模式，可以帮助把储存空间降低10倍并且查询效率提升数10倍。
分桶设计模式：可以将每分钟为一条数据通过文档内嵌数组，改为每一小时为一条数据。减少文档数量，减少索引占用空间。

经验和学习 ——> 模式导向 ——> 套用设计模式 ——> {最终模式}

MongoDB设计模式

表现形式类 数据访问类 组织结构类
列转行 子集 预聚合
文档版本 近似处理 分桶

MongoDB设计模式集锦

列转行

场景：大文档，很多字段，很多索引 举例：一部电影在几十个国家的不同上映日期，例如美国上映日期对应的字段 release_USE:"2020/06/02"、在中轨上映日期对应的字段 release_CN:"2020/06/01" ...

解决方案：列转行

  1. 新建一个字段 releases 用来储存所有国家上映日期数据，属性值为数组
  2. 属性值数组中的元素包含国家和日期

最终数据结构：

{
  releases:[
    {country:"USA",date:"2020/06/02"},
    {country:"CN",date:"2020/06/01"}
  ]
}

修改之后的文档模型，总体字段变少了，国家和上映日期都被储存在 releases 这1个字段中，利于提高查询效率。

列转行设计模式优点：将多个字段转化为一个字段上的数组元素，一个索引解决所有查询问题。

文档版本

场景：文档模型灵活了，如何管理文档不同版本？
举例：6月份以后需要在数据中新增一个字段 wechat，而这个字段是在之前的数据中不存在的。而预计下个月还会要新增别的字段，最终导致一个集合中的数据字段很多地方不相同。

解决方案：文档版本

  1. 给数据添加一个版本号字段
  2. 当每次要发生数据结构形态变化时，设定对应的文档版本
  3. 在读写数据时，通过文档版本字段来获取对应的文档结构

文档版本设计模式方案优点：通过增加一个版本号字段，可以区分不同文档所具有的数据格式。数据库升级时可以快速过滤掉不需要升级的文档，或升级时对不同版本的文档做不同的处理。

近似计算

问题：数据写入量大，读取量小，写入太频繁消耗系统资源
举例：统计网页点击流量，每访问一个页面都会产生一次数据库技术更新操作。统计数字准确性要求并不是特别重要，不需要特别精确

解决方案：近似计算

  1. 原本每访问一次都需要精确统计+1，现在改为近似计算
  2. 每次访问页面，执行一个更新操作，随机产生一个0-9的随机数，若随机数等于0(也可以是其他数字)，则统计+10

近似计算设计模式优点：间隔写入，每隔10次或100次写入一次，每次写入统计+10或+100，大量减少写入次数。

注意：
近似计算的前提是对统计要求不需要那么精准，例如网页流量统计，若需要精准统计则近似计算无法满足。

问题：排名，商品统计等精确统计
举例：热销榜(日/周/月)、电影排行榜

传统解决方案：通过聚合计算
缺点：消耗资源多，聚合计算时间长

解决方案：用预聚合字段

  1. 模型中直接增加统计字段
  2. 每次更新数据时，同时更新统计值

注意：
预聚合使用 $inc