1.认识MongoDB分片集
MongoDB是当前最为流行的NoSQL数据库之一，可以存储海量数据。但是当单台机器无法承受数据量或者写入数据速度时，就需要使用MongoDB的分片集来解决问题。
MongoDB中的分片集可以支持跨越多个物理机器的自动数据分布和负载均衡。分片集将数据水平分割成多个片段（shard），每个片段可以存储在不同的物理服务器上，并且每个片段都可以工作在相互独立的状态下。分片集可以通过检索集合中的特定文档，来确定文档属于哪个分片，将文档存储到相应的分片中。
2. MongoDB分片集的优势
2.1 增强系统容量和性能
使用分片集可以将数据分摊到多台机器中，以此来增强系统的容量和处理能力，使得整个分布式系统达到比单台机器更好的响应时间、处理速率和吞吐量。
2.2 增强系统的可用性
分片集可以将数据复制到多台机器上，通过保留多份数据副本，对于单台机器出现故障或意外导致数据丢失的情况，会有其他备用机器提供数据查询和数据恢复服务，极大地增强了整个系统的可用性。
3. MongoDB分片集的设计
3.1 分片集构成
MongoDB中的分片集是由3个重要组件组成：路由器（mongos）、片段服务器（shard server）和配置服务器（config server）。
路由器（mongos）：MongoDB中的路由器（mongos）是中间层的服务器，在客户端和分片集之间建立连接和响应请求。它将客户端的请求转发给分片集中各个片段服务器进行处理，最终将处理结果返回给客户端。
片段服务器（shard server）：MongoDB中的片段服务器（shard server）是真正存储数据的服务器。片段服务器会将数据分为多个片段，然后将这些片段存储在各自的硬盘上。
配置服务器（config server）：MongoDB中的配置服务器（config server）负责保存分片集中的元数据信息，存储分片集中的元配置信息（包括路由器、片段服务器和数据分片等信息）。
3.2 分片键（shard key）
分片集会根据用户定义的分片键（shard key）对数据进行分片。一般来说，分片键是一个唯一且可排序的字段或字段集合，例如：对于一个保存用户订单的集合，可以选择订单号作为分片键。当数据被个分片分配后，mongos会根据这些分片键路由数据，使其能够分配到正确的片段中。
创建分片键的方法：
db.createCollection('order', { shardKey: { "order_id": 1 } });
以上代码中，我们创建了一个名为order的集合，并将字段order_id设置为分片键（shard key）。
4. MongoDB分片集的扩展
4.1 分片集的启用和禁用
在分片集中，mongos路由器会扮演关键的角色，因此启用或禁用路由器可以对整个集群进行控制。启用或禁用路由器的方法如下：
//启动路由器
mongos --configdb config1.example.net:27019
//停止路由器
use admin;
db.shutdownServer();
以上代码中，我们通过mongos命令启动路由器，并指定配置服务器的地址。停止路由器时，需要在mongos所连接的MongoDB数据库中执行shutdownServer()命令。
4.2 分片集的扩容和缩容
当集群中的数据存储量超出了片段服务器的承受范围时，我们需要添加新的片段服务器来进行扩容。同样，当集群中的数据量减少后，我们可以移除一些片段服务器来进行缩容操作。
添加片段服务器的方法如下：
向MongoDB中添加新片段服务器
sh.addShard('shard1.example.net:27017');
创建指定片段路径的分片集分片
sh.addShardTag("shard1.example.net:27017", "tag1");
sh.addTagRange("order.order_id", { "order_id": 1 }, { "order_id": 5 }, "tag1");
将现有集合转换成分片集的集合
sh.enableSharding('test');
sh.shardCollection('test.order', { "order_id": 1 });
以上三个步骤分别表示向MongoDB添加新片段服务器、创建指定片段路径的分片集分片、将现有集合转换成分片集的集合。需要注意的是，如果我们想要删除已有的片段服务器，则需要先使其上的数据转移到其他片段服务器中，最后再删除这个片段服务器。
4.3 分片集的均衡
分片集中的数据均衡是一个非常重要的问题。在使用过程中，如果数据在不同的片段服务器之间不平衡，可能会导致性能和响应时间低下。虽然分片集可以自己检查和处理不均匀情况，但是在某些情况下，我们需要手动进行均衡操作。
手动均衡操作方法如下：
检查集群的状态
db.runCommand({ listShards: 1 });
设置均衡器开关
sh.stopBalancer()
sh.setBalancerState(true)
手动均衡
sh.balanceCollection('test.order')
关闭均衡器
sh.setBalancerState(false)
以上四个步骤分别表示：检查集群的状态、设置均衡器开关、手动均衡、关闭均衡器。
5. 总结
本文对MongoDB分片集的介绍和应用进行了详细的分析，主要讲述了分片集的优势、设计和扩展过程。通过了解MongoDB分片集的基本原理和应用，能够更好的利用分片集极大地提升系统性能和可用性。