MongoDB是一种极受欢迎的数据库，具有强大的可伸缩性和性能。MongoDB 4.0带来了许多新功能，其中包括更好的事务支持，全文搜索，增强的聚合操作和增强的安全性。
本文将详细介绍如何使用MongoDB 4.0构建分布式分片群集。我们从什么是MongoDB分片开始，接着探索MongoDB分片群集的架构，然后介绍如何构建分片群集，以及如何维护和监控分片群集。
1. MongoDB分片
MongoDB分片是一种横向扩展数据库的方法。它通过将数据分解为多个分片来实现可伸缩性。每个分片（或数据节点）可以存储数据的一个子集，因此您可以将大量数据分布在多个分片上，以实现更好的吞吐量和查询性能。
MongoDB分片有以下优点：
可伸缩性 - 通过向集群添加更多的分片，分片集群可以支持处理大量的数据和请求。
高可用性 - 当集群中的一个或多个分片失败时，MongoDB会将分片中的数据动态地重定向到集群中的其他分片上。
查询优化 - MongoDB的分片集群可以在多个节点上分发查询请求，从而提高查询性能，特别是当数据集非常大时。
2. MongoDB分片群集架构
一个MongoDB分片群集由多个组件组成，包括：
mongos - 它是MongoDB路由服务器。mongos在分片集群和应用程序之间充当中间层，负责将查询请求路由到正确的分片。
config servers - 它们是用于存储集群元数据的特殊MongoDB服务器。元数据包括分片集群的拓扑信息以及数据位置等重要信息。
shards - 它们是存储数据的MongoDB服务器。分片服务器可以进一步划分为主服务器和从服务器（或者请求服务器和响应服务器，即查询路由后的数据节点）。
以下是MongoDB分片群集架构的示意图：
mongos shard1 shard2 shard3
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config servers ----> config server replica set
2.1 分片键和分片键区间
在分片集群中，你需要选择一个分片键。分片键是一个标识你的MongoDB文档的字段（或字段组合）。MongoDB在分配文档到分片时使用该键。分片键的选择非常重要，因为它将直接影响你的群集的可伸缩性。
每个分片服务器存储关于某些分片键区间的文档。分片键区间是由该分片服务器上存储的文档的分片键值范围定义的。在查询时，mongos将查询路由到包含要查询的分片键值的分片服务器上。
为了更好地理解分片键和分片键区间的概念，下面是一个示例集合：
{
_id: ObjectId("5e802dbb796165cc3d1d83df"),
name: "Alice",
age: 25,
address: {
city: "Beijing",
country: "China"
}
}
你可以将“city”作为分片键。在这种情况下，“city”字段中文档的值可以是任何字符串，例如“Beijing”，“Shanghai”或“New York”。 mongos将在选择要查询的分片时查找与给定城市匹配的分片键区间（例如，“北京”是[“北京”、“天津”]，这个范围是字符串排序后的。）。
2.2 mongos路由机制
当用户提交一个查询请求时，mongos将会对请求进行处理并将其路由到合适的Shard服务器。mongos已经知道集群的元数据，通过它MongoDB知道了每个集合的上的primary shard是什么以及对应的chunk信息。这样，它能找到分片键对应的区间，把请求不重复地路由到相应的分片上。
需要注意的是，mongos仅仅当用户连接到mongos并发起查询，才会向config server请求元数据，因此，元数据可能过期了。这时候需要_mongos_向config server查询新的元数据以获取最新的信息。
3. 构建MongoDB分片群集
现在，我们已经了解了MongoDB分片和分片群集的基础知识，下面将介绍如何构建分片群集。
3.1 准备工作
在开始之前，你需要进行以下准备工作：
- 安装MongoDB 4.0或更高版本。
- 选择一个合适的硬件和拓扑结构。
- 为mongos、config服务器和shard服务器配置合适的防火墙规则。
3.2 启动config服务器
首先，你需要启动三个config服务器。在启动config服务器之前，你需要创建一个用于存储设置的配置目录。然后，你可以使用以下命令开始配置服务器：
mongod --configsvr --replSet configReplSet --bind_ip <hostname> --dbpath <path_to_configsvr_data>
3.3 启动mongos
接下来，你需要启动mongos。你可以使用以下命令为mongos启动配置服务器：
mongos --configdb configReplSet/<config_server_1>,<config_server_2>,<config_server_3> --bind_ip <hostname>
启动后，mongos将会在端口27017上进行监听，现在你可以连接到mongos，向其发送查询请求。
3.4 启动Shard服务器
最后，你需要启动一个或多个分片服务器。你可以使用以下命令为每个MongoDB Shard服务器启动MongoDB:
mongod --shardsvr --replSet <shard_replSet_name> --bind_ip <hostname> --dbpath <path_to_shard_data>
4. 维护和监控MongoDB分片群集的方法
当MongoDB分片群集运行时，你可以使用不同的工具来执行各种维护和监控任务。
4.1 mongostat和mongotop
mongostat和mongotop是两个流行的MongoDB监控工具。mongostat可以显示MongoDB服务器的状态数据，例如连接数，操作计数，锁定计数等。mongotop可以显示MongoDB服务器的缓存使用情况。
4.2 运行MongoDB副本集
当MongoDB分片群集中的一个分片出现故障时，它的副本集将会接管工作。 MongoDB的副本集可以在多个MongoDB服务器上复制数据，并且能够在一台服务器故障时自动进行故障切换。
4.3 日志文件分析
MongoDB发出大量的日志，你可以使用这些日志来诊断群集中的故障和问题。使用日志分析工具，例如MMS或Splunk，可实现更有意义的日志分析。
总结
MongoDB分片群集为大型应用程序提供了高度可伸缩性和高可用性。MongoDB 4.0引入了许多新功能，包括更好的事务支持，全文搜索和增强的聚合操作。虽然构建和维护MongoDB分片群集需要一些技术知识，但MongoDB在数据可靠性、伸缩性、高可用性和性能方面表现良好，值得我们花时间学习和掌握。