Что такое MongoDB

В современном мире организации и приложения разрабатываются для обработки и хранения огромного объема данных. В этом контексте базы данных играют важную роль, предоставляя эффективные и надежные средства для управления информацией. Однако среди разнообразия БД существуют разные типы, каждый из которых предназначен для определенных задач и имеет свои уникальные характеристики.

В данной статье мы поговорим о MongoDB — одной из самых популярных и инновационных нереляционных БД, которая предоставляет уникальный подход к хранению и управлению данными. Мы рассмотрим ее ключевые особенности, преимущества и ограничения, а также случаи, в которых MongoDB является наилучшим выбором. Давайте углубимся в мир “МонгоДБ” и узнаем, почему она стала столь востребованной среди разработчиков и организаций.

Общие сведения

MongoDB — это база данных, которая отличается от традиционных реляционных систем. Она работает в документоориентированном стиле, предоставляя гибкое хранение и структурирование данных. “МонгоДБ” распространяется под лицензией SSPL и имеет открытый исходный код.

Ее создатели, включая основателей DoubleClick, в начале 2000-х годов были важными фигурами в области IT-разработки. DoubleClick была одной из первых компаний, специализирующихся на интернет-рекламе, и она могла обрабатывать до 400 000 объявлений в секунду, что было впечатляющим достижением для своего времени.

В 2005 году Мерриман и его коллеги успешно продали DoubleClick Google и сосредоточились на новой проблеме, которая их беспокоила. На тот момент существующие БД не обладали четкой структурой, информация в них была фрагментирована и не связана между собой, и существовали проблемы с масштабируемостью и гибкостью. В результате этого создалась компания 10gen, которая позднее переименовалась в MongoDB Inc. в честь своего ключевого продукта.

За годы существования MongoDB было выпущено несколько версий. Последнюю из них, “МонгоДБ” 6.0.5, можно бесплатно скачать с официального сайта компании, а также использовать для управления данными и приложениями.

Краткая история разработки

Компания-разработчик была зарегистрирована в 2007 году, но первая версия их базы данных (СУБД) появилась только в 2009 году. С этого момента они также начали применять модель с открытым исходным кодом, предоставляя дополнительные коммерческие услуги, такие как техническая поддержка, резервное копирование и инструменты для работы с данными.

Изначально компания носила название 10gen, но в 2013 году они сменили его на MongoDB Inc, чтобы подчеркнуть свою основную область развития. Основные офисы компании находятся в Нью-Йорке, США, и Дублине. В 2019 году “МонгоДБ” заключила соглашение с Alibaba Cloud (Aliyun) и начала предоставлять свою СУБД в качестве облачной услуги для своих клиентов.

В начале марта этого года разработчики из России и Беларуси получили уведомление от компании, в котором предупреждалось, что все их данные, хранящиеся в MongoDB Atlas, будут удалены без возможности восстановления.

Назначение

MongoDB используется различными группами пользователей:

1. Бэкенд-разработчики веб-приложений и сайтов, особенно в области веб-программирования, часто используют MongoDB для хранения данных.
2. DevOps-инженеры иногда используют MongoDB при управлении инфраструктурой проектов и при необходимости обработки данных.
3. Специалисты в области Big Data и аналитики, работающие с большим объемом несвязанных данных, могут воспользоваться “МонгоДБ” для эффективного хранения и обработки информации.
4. Разработчики в стартапах, где структура хранения данных может меняться в процессе развития проекта, выбирают “МонгоДБ” из-за его гибкости.

MongoDB применяется для:

• Контроля доступа и обеспечения безопасности данных.
• Выдачи разных прав доступа разным категориям пользователей.
• Отправки транзакций, что позволяет выполнять последовательность запросов один за другим.
• Получения данных с помощью запросов без использования SQL.
• Обеспечения быстрого, удобного и простого доступа к данным.
• Управления данными, включая создание, редактирование, удаление записей и контроль версий.
• Поддержания базы данных в актуальном состоянии, включая одновременный доступ с нескольких клиентов.
• Хранения данных, которые не имеют жестких связей друг с другом.

Ключевые особенности

В этом разделе мы рассмотрим основные особенности и нюансы этой СУБД.

Индексация

Индексация — это процесс создания специальных структур, называемых индексами, для данных в БД. Индексы содержат указатели на конкретные значения в данных и позволяют системе быстро находить и получать доступ к этим данным. Вместо того чтобы просто перебирать все данные при поиске, система может использовать индексы, что значительно ускоряет операции поиска и запросов к базе данных.

Репликация

Репликация — это возможность создания и использования копий базы данных, называемых репликами. Можно иметь несколько взаимосвязанных копий БД на разных серверах, где одна из них является основной (главной), а остальные являются вспомогательными.

Все изменения данных сначала записываются в основную базу данных, а затем автоматически передаются на вспомогательные копии. Это обеспечивает стабильность и надежность системы, так как в случае сбоя в основной БД любая из существующих реплик может автоматически заменить ее и продолжить работу.

Сегментирование

Сегментирование — это еще один способ распределения БД MongoDB по разным серверам, помимо репликации. Система позволяет разделить БД на отдельные сегменты и распределить их по разным серверам. Это позволяет балансировать нагрузку на сервера и управлять ресурсами более эффективно.

Администратор может определить принцип разбиения данных, что позволяет спланировать распределение по частям серверного кластера в соответствии с конкретными потребностями и требованиями.

Запросы ad hoc

Запросы ad hoc в MongoDB относятся к специальным запросам, где латинские слова означают «специально для этого». Одной из ключевых особенностей “МонгоДБ” является ее гибкая поддержка разнообразных запросов. Эта система баз данных принимает запросы на поиск по различным полям, работает с функциями JavaScript и может даже возвращать пользовательские функции в ответ на запрос.

MongoDB поддерживает использование регулярных выражений и допускает выполнение сложных запросов, которые могут включать в себя выборку данных из диапазона или случайного выбора значений.

Grid File System

Grid File System, сокращенно известная как GridFS, представляет собой технологию, о которой уже упоминалось выше. Она используется, когда необходимо сохранить в базу данных MongoDB файлы, размер которых превышает максимальный лимит в 16 Мб.

По сути, GridFS представляет собой метод сегментации данных, но внутри одного документа. Данные большого объема разбиваются и хранятся в двух коллекциях:

• Коллекция «files» содержит информацию о файлах, включая их имена и метаданные, такие как размер и другие характеристики.
• Коллекция «chunks» служит для хранения самих файлов, но не в целом, а разделенных на небольшие сегменты. Обычно размер каждого сегмента составляет 256 Кб, но этот размер может быть настроен по необходимости.

Благодаря этому методу сегментации на маленькие части, MongoDB может эффективно хранить очень большие файлы и преодолевать ограничение в 16 Мб для максимального размера документа.

Принцип работы и основные концепции

Хранение данных в MongoDB отличается от реляционных баз данных, но имеет свои аналогичные концепции:

1. Максимальный размер документа. Ограничен 16 МБ, но для хранения данных большего объема используется технология GridFS.
2. Поля. Каждый документ MongoDB содержит поля, которые можно сравнить с колонками в таблице реляционной БД. Например, если документ описывает собак, поля могут включать «Породу», «Кличку», «Возраст» и другие.
3. База данных. Это общее хранилище, где находятся коллекции. Особенность MongoDB заключается в том, что БД считается несуществующей, пока в нее не добавлены данные. Это отличается от реляционных БД, которые считаются существующими даже при отсутствии данных.
4. Коллекция. Вместо таблиц в “МонгоДБ” используются коллекции, которые являются наборами документов. Они могут содержать разнородные данные и отличаются от таблиц реляционных БД, где данные должны соответствовать строгой схеме. MongoDB подходит для хранения слабо структурированных данных.
5. Документ. Документ представляет собой файл в формате BSON (binary JSON), который может хранить пары ключ-значение. Это аналог строки в таблице реляционной БД, но документы могут хранить более сложную и гибкую информацию и иметь различную структуру.
6. Встроенные документы. Вместо операции JOIN, как в SQL, MongoDB использует встроенные документы для организации связей и структур данных. Вложенные структуры могут быть встроены одна в другую.
7. _id. Это уникальный идентификатор, который должен быть в каждом документе MongoDB. Он помогает уникально идентифицировать каждую запись и может быть создан автоматически, если программист не задает его явно. Это аналог первичного ключа в реляционных базах данных.

Отличия от реляционных БД

Отличие MongoDB от реляционных баз данных заключается в том, как информация хранится и доступна:

Связные таблицы

В реляционных БД данные представлены в виде связанных таблиц, и для доступа к ним используется язык SQL. Это традиционная модель, которая широко применяется, но она не всегда оптимальна, особенно когда связи между данными не являются строгими.

В MongoDB данные хранятся в «табличных» документах с форматом, близким к JSON. Информация записывается в виде пар ключей и значений, что похоже на таблицу с идентификаторами и соответствующими данными. Благодаря этой структуре MongoDB может легко хранить разнообразные и сложноструктурированные данные, что делает ее более гибкой.

Отсутствие необходимость в SQL

В отличие от реляционных БД, MongoDB не требует использования SQL для выполнения запросов. Вместо этого используются языки программирования, такие как JavaScript в случае “МонгоДБ”.

Существуют также драйверы для поддержки других популярных языков, таких как:

• Python;
• Java;
• C/C++;
• Go;
• PHP;
• Ruby и другие.

Таким образом, “МонгоДБ” предоставляет более гибкий и адаптивный способ хранения и доступа к данным по сравнению с реляционными базами данных.

Преимущества MongoDB

В этом разделе мы рассмотрим основные преимущества этой СУБД, чтобы лучше понимать ее значение в современном мире СУБД, а также это поможет объяснить такую высокую популярность этой технологии.

Быстрая работа

MongoDB обеспечивает высокую скорость работы благодаря своей структуре документов, поддержке индексации и другим характеристикам. Эта БД работает быстро и без задержек, что делает ее популярным выбором для внутренних систем и веб-сайтов, где быстрая обработка данных играет ключевую роль.

Гибкость

MongoDB обладает высокой гибкостью, поскольку позволяет хранить разнообразные и разнородные данные. Даже если информация не соответствует общей структуре или имеет различные форматы, “МонгоДБ” способна успешно хранить и обеспечивать доступ к таким данным. Эта гибкость делает MongoDB подходящей для различных задач и сценариев, где требуется работа с разнообразными данными.

Легкая масштабируемость

MongoDB привлекает стартапы и маленькие компании своей легкой масштабируемостью. Это означает, что систему можно быстро и удобно наращивать в размере и объеме данных. Если необходимо внести изменения, например, добавить новое поле, не требуется радикально изменять всю структуру БД.

Это достигается благодаря гибкой документно-ориентированной модели и особому формату данных, что упрощает процесс масштабирования системы.

Отсутствие сложных соединений

MongoDB отличается от реляционных баз данных тем, что в ней нет необходимости описывать сложные схемы таблиц и использовать конструкции, подобные JOIN. В реляционных БД JOIN используется для объединения данных из разных таблиц, но в “МонгоДБ” , благодаря её документно-ориентированной модели, подобные соединения не требуются.

Возможность работы на нескольких серверах

“МонгоДБ” обеспечивает возможность работы на нескольких серверах с помощью механизмов репликации и сегментирования. Репликация позволяет создавать рабочие копии БД, которые можно использовать в случае необходимости, а сегментирование помогает распределять нагрузку на серверы более эффективно.

Эти функции увеличивают стабильность системы и снижают риск сбоя БД в критические моменты.

Недостатки

Разумеется, как и у любой другой СУБД, у MongoDB, помимо значимых преимуществ, существуют и определенные недостатки, на которые обязательно стоит обратить внимание для более осознанного выбора СУБД.

Отсутствие хранимых процедур и функций

MongoDB отличается от реляционных БД тем, что в ней отсутствуют хранимые процедуры и пользовательские функции (UDF) в том виде, как они присутствуют в реляционных системах. Хранимые процедуры позволяют разработчику создавать набор SQL-команд, сохранять их и вызывать по мере необходимости, подобно скриптам.

В “МонгоДБ” нет поддержки таких хранимых процедур, что означает, что автоматизация работы с базой данных не осуществляется этим способом.

Что касается пользовательских функций (UDF), то они, хотя и похожи на хранимые процедуры, имеют разные методы сохранения и вызова. В MongoDB можно создавать пользовательские функции на языке JavaScript и сохранять их с помощью специальной команды, а затем использовать их в дальнейшей работе. Однако процесс создания и использования пользовательских функций в MongoDB может быть более сложным по сравнению с тем, как это реализовано в реляционных БД.

Неполное соответствие ACID

MongoDB не полностью соответствует принципам ACID (Atomicity, Consistency, Isolation, Durability), которые являются набором принципов обеспечения стабильности и предсказуемости БД. Принципы ACID включают атомарность (atomicity), согласованность (consistency), изолированность (isolation) и устойчивость (durability).

До версии 4.0 MongoDB не удовлетворяла полностью принципу атомарности, что означает, что некоторые транзакции могли завершаться не до конца и вызывать нежелательные ситуации. Однако, в более поздних версиях эту проблему исправили, и “МонгоДБ” стала более соответствовать требованиям ACID, обеспечивая более надежную и предсказуемую работу.

Сложности с транзакциями

Документно-ориентированный подход, хотя и обладает множеством преимуществ, создавал сложности в работе с транзакциями. В более ранних версиях MongoDB не было полной поддержки ACID для транзакций, и это приводило к мнению, что NoSQL-подход исключает возможность использования транзакций вообще. Впоследствии транзакции были добавлены, но работа с ними все равно имеет свои особенности и требует особого подхода.

Трудности при работе с жестко связанными данными

MongoDB предоставляет гибкость в структуре данных, позволяя разным документам внутри одной коллекции иметь различные структуры, и не требует, чтобы коллекции были схожи между собой.

Это делает “МонгоДБ” хорошим выбором для хранения слабо связанных данных, где нет жестких зависимостей между ними. Однако, если ваши данные имеют строгие и жесткие связи между собой, то традиционные реляционные БД, работающие с SQL, могут быть более удобным выбором в таких случаях.

В каких случаях MongoDB станет подходящим выбором

MongoDB находит свое применение в различных сферах, включая:

• Обработка временных рядов. MongoDB может использоваться для хранения временных рядов данных, таких как данные о температуре, давлении и других показателях во времени.
• Интернет вещей (IoT). “МонгоДБ” может быть применена в приложениях для сбора и анализа информации от устройств IoT.
• Веб-программирование. MongoDB используется для хранения данных в веб-приложениях и на сайтах, где информация может иметь различные форматы и не обязательно жестко связаны друг с другом.
• Кэширование. MongoDB может служить для кэширования данных и улучшения производительности приложений.
• Игры. “МонгоДБ” может использоваться для хранения данных в компьютерных играх, где информация о пользователях, уровнях и достижениях могут меняться динамически.
• Каталоги товаров электронной коммерции. MongoDB подходит для хранения информации о продуктах и каталогах, где данные о товарах могут различаться.
• Мобильные приложения. “МонгоДБ” используется в мобильных приложениях для хранения пользовательских данных и контента.
• Логирование и хранение событий. MongoDB часто используется для записи и хранения логов и событий, так как она обеспечивает быстрый доступ к данным.
• Платежные системы. “МонгоДБ” обеспечивает хранение информации о транзакциях и платежах в платежных системах.
• Стартапы. “МонгоДБ” часто используется в стартапах, где структура данных еще не определена четко, и требуется гибкость для внесения изменений в структуру данных по мере необходимости.
• Big Data и анализ данных. MongoDB применяется в области обработки и анализа больших объемов информации, где необходимо эффективно управлять разнородной информацией.
• Управление контентом. “МонгоДБ” может быть использована для хранения контента, такого как статьи, изображения и видео, с возможностью быстрого доступа к ним.
• Мониторинг данных с датчиков. MongoDB подходит для хранения данных, получаемых от различных сенсоров и устройств в системах мониторинга.

Многие крупные IT-компании и медиа-организации, включая IBM, Zendesk, Forbes и Google, также используют MongoDB для хранения своих внутренних данных.

Начало работы с MongoDB

Для начала работы с MongoDB, следуйте этим шагам:

1. Скачайте MongoDB с официального сайта проекта, где доступны как бесплатные, так и коммерческие версии. Вы также можете использовать официальный репозиторий “МонгоДБ” на GitHub или пакетные менеджеры для вашей операционной системы, такие как brew для macOS или apt-get для Linux.
2. Скачайте MongoShell — это интерактивная командная оболочка для взаимодействия с “МонгоДБ” . Её также можно найти на официальном сайте MongoDB.
3. Установите MongoDB и MongoShell на сервере, где вы планируете хранить БД. Обычно это серверы, арендованные на хостинге. Если вы хотите создать тестовую БД для обучения, вы можете установить MongoDB и MongoShell на своем собственном устройстве.
4. Взаимодействие с базой данных “МонгоДБ” обычно происходит через командную строку или терминал. Вы также можете использовать драйверы для поддержки разных языков программирования. По умолчанию язык запросов для MongoDB — JavaScript, что особенно удобно для современных Fullstack-разработчиков, которые предпочитают работать со стеком MERN (MongoDB. Express.js, React.js, Node.js) Операторы, используемые для управления БД “МонгоДБ”, основаны на этом языке.

Заключение

MongoDB представляет собой мощную и гибкую документоориентированную нереляционную систему управления БД. Ее уникальная структура документов, отсутствие жестких схем данных и поддержка разнообразных запросов делают ее идеальным выбором для широкого спектра приложений. “МонгоДБ” активно используется в веб-программировании, аналитике, big data, стартапах и многих других областях благодаря своей скорости, масштабируемости и гибкости.

Однако, при выборе “МонгоДБ” для вашего проекта, важно учитывать некоторые особенности, такие как ограничения в поддержке ACID-транзакций и сложности при работе с жестко связанными данными. Тем не менее, MongoDB продолжает развиваться, и многие из этих ограничений были устранены в последних версиях.

В итоге, MongoDB остается мощным инструментом для хранения и управления данными, который может быть эффективно использован в различных сценариях, предоставляя разработчикам гибкость, производительность и возможность масштабирования.