第 16 章：分片架构

这是《MongoDB 零基础实战指南》的独立章节版。本章从概念、实操和生产排查三个视角展开，代码块保留了原书可直接运行的版本。 分片用于将数据水平分布到多个副本集。它解决单机容量、写入吞吐和大数据集工作集限制，但也会引入路由、分布式事务、均衡和运维复杂度。是否分片，应从数据规模和增长模型出发。

16.1 组件

Client
  -> mongos
     -> Shard 1 Replica Set
     -> Shard 2 Replica Set
     -> Shard 3 Replica Set
Config Server Replica Set

16.2 什么时候分片

分片前先确认瓶颈：

过早分片会让查询和事务复杂化，收益可能不明显。

16.3 分片键

分片键决定文档分布：

sh.shardCollection("shop.orders", { user_id: "hashed" })

范围分片：

sh.shardCollection("shop.orders", { user_id: 1, created_at: 1 })

分片键一旦选择，后续调整代价很高，必须在设计早期评估。

16.4 Chunk

MongoDB 将分片键空间划分为 chunk：

shard 1: [minKey, user_1000)
shard 2: [user_1000, user_2000)
shard 3: [user_2000, maxKey]

查看分布：

sh.status()

查看 chunk：

use config
db.chunks.find({ ns: "shop.orders" }).limit(5)

16.5 查询路由

带分片键：

db.orders.find({ user_id: "u_1001" })

路由到目标 shard。

不带分片键：

db.orders.find({ status: "PAID" })

mongos 需要广播到多个 shard，再合并结果。高频查询应包含分片键或支持定向路由。

16.6 写入路由

单文档写：

document shard key
  -> target shard
  -> shard replica set primary

不带分片键的插入在一些模式下无法路由，必须提供分片键。更新和删除如果不带分片键，也会影响路由范围。

16.7 Config Server

Config Server 保存：

1. 集群成员；
2. 数据库和集合分片配置；
3. chunk 区间；
4. balancer 状态；
5. 分片拓扑。

要求：

1. 部署为副本集；
2. 使用低延迟可靠存储；
3. 严格控制权限；
4. 纳入备份；
5. 不承载业务读负载。

Config Server 不可用会影响元数据操作和路由发现。

16.8 mongos

建议：

1. 多实例部署；
2. 应用配置多个 mongos；
3. 与应用网络就近；
4. 监控连接和请求延迟；
5. 控制连接池；
6. 优雅发布。

mongos 无状态，扩容相对容易，但结果合并和广播查询仍会带来 CPU 与网络成本。

16.9 目标分片策略

设计流程：

find top queries
  -> choose shard key
  -> verify cardinality
  -> verify write distribution
  -> verify target queries
  -> test split and balance

目标：

1. 写入均匀；
2. 高频查询带分片键；
3. 分片键基数足够；
4. 单 chunk 不无限增长；
5. 热点 key 可拆分；
6. 事务跨 shard 可控。

16.10 分片治理

常用命令：

sh.enableSharding("shop")
sh.shardCollection("shop.orders", { user_id: "hashed" })
sh.status()
sh.isBalancerRunning()
sh.startBalancer()
sh.stopBalancer()

生产注意：

1. 初始导入先规划分片；
2. 索引在所有 shard 存在；
3. 监控 chunk 数和分布；
4. 控制均衡窗口；
5. 分片集合查询必须评估路由；
6. 事务和 $lookup 成本更高。

本章小结

分片通过 mongos、Config Server、shard 和 balancer 将数据水平分布。它解决容量与吞吐扩展问题，但查询必须尽量带分片键，运维复杂度也明显上升。分片键设计是整个架构的核心决策。

思考题

1. 什么信号说明必须考虑分片？
2. 哈希分片和范围分片的核心差异是什么？
3. 为什么高频查询应包含分片键？
4. Config Server 保存哪些信息？
5. 单热点文档为什么分片无法解决？