MongoDB內部結構

一、前言

本文主要講述MongoDB使用的資料類型BSON，使用的傳輸協議Mongo Wire Protocol，MongoDB資料檔案的內部結構。

二、BSON

BSON [bee · sahn], short for Binary JSON, is a binary-encoded serialization of JSON-like documents.

JSON相信大家都很熟悉，官網上用一個頁面，幾百字就把JSON的規則講清楚了，JSON只包括六種資料類型：null，對象，布爾，數字，字串以及數組。而BSON支援更多的資料類型，比如日期類型等。

       BSON官網的一個例子{"hello": "world"},分析BSON的儲存結構如下：

TotalSize（4）| { BSONType（1）| FieldName | Data } * EOO（1）

TotalSize：Document轉換為BSON後的總長度，4個位元組表示

BSONType：Data的資料類型，佔一個位元組

FieldName：欄位名，例子中的hello，key/value的"key"，UTF-8字串，字串都有一個結束符'\0'

Data：key/value的value，例子中的"world"，如果是字串則在Data前需要另加四個位元組儲存Data的長度，如果是其他格式可以參考官網規範。

*：key/value的對數，比如{"hello":"world", "hello1":"world1"}，有兩對

EOO：結束符，\x00

分析例子{"hello":"world"}的長度：

TotalSize(4) + BSONType(1) + FieldName(5+1) + Data(4 + 5 + 1) + EOO(1) = 22 位元組

進入Mongo Shell可以通過Object.bsonsize 查看bson大小。

而且在http://bsonspec.org/#/specification的example中也可以看到BSON的前四個位元組為\x16\x00\x00\x00，十進位正好是22。

     BSON犧牲一些空間來換取更容易遍曆的格式，不用每次都檢查是否等於'\0'，可遍曆性是BSON非常重要的性質。

三、 Mongo Wire Protocol

Mongo Wire Protocol 與 http, ftp都屬於應用程式層協議，只不過該協議目前只是應用於MongoDB 的相關應用中。每個Mongo Wire Protocol 訊息都是由標準訊息頭部和具體的請求資料群組成。

標準訊息頭部格式如下：

而具體的請求，比如修改集合

具體可以參考http://www.mongodb.org/display/DOCS/Mongo+Wire+Protocol。

四、 MongoDB資料檔案的內部結構

每個資料庫都有一個.ns檔案和若干個資料檔案組成(.0，.1，.2，.....)，其中.ns檔案為16M，而.0檔案16M，.1檔案32M，往後則翻倍，最大值為2G，這樣可以讓小資料庫不浪費太多的空間，大資料庫能夠使用磁碟上連續的空間。

資料庫裡面的每個集合和索引都對應著命名空間。

這是local資料庫中的命名空間，可以看到集合，固定集合(capped collection)，索引都有自己的命名空間。

.ns檔案記錄著若干個集合命名空間和索引命名空間。

一個集合命名空間又有多個資料域(extent)，集合命名空間裡儲存著集合的中繼資料，比如集合名稱，集合的第一個資料域和最後一個資料域的位置等等。而一個資料域由若干條文檔(document)組成，每個資料域都有一個頭部，記錄著第一條文檔和最後一條文檔的為知，以及該資料域的一些中繼資料。extent之間，document之間通過雙向鏈表串連。

索引的儲存資料結構是B樹，索引命名空間儲存著對B樹的根節點的指標。MongoDB資料內部結構圖如下（圖片來自NoSQLFan）