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MongoDB索引优化的艺术：从基础原理到性能调优

铵滔 6 天前
title: MongoDB索引优化的艺术：从基础原理到性能调优实战
date: 2025/05/21 18:08:22
updated: 2025/05/21 18:08:22
author:  cmdragon
excerpt:
MongoDB索引优化与性能调优的核心策略包括：索引基础原理，如单字段、复合、唯一和TTL索引；索引创建与管理，通过FastAPI集成Motor实现；查询性能优化，使用Explain分析、覆盖查询和聚合管道优化；实战案例，如电商平台订单查询优化；常见报错解决方案，如索引创建失败、查询性能下降和文档扫描过多问题。这些策略能显著提升查询速度和系统性能。
categories:

  • 后端开发
  • FastAPI
tags:

  • MongoDB
  • 索引优化
  • 性能调优
  • FastAPI
  • 查询分析
  • 聚合管道
  • 错误处理
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第四章：索引优化策略与性能调优

1. MongoDB索引基础原理

在MongoDB中，索引相当于图书的目录系统。当集合存储量达到百万级时，合理的索引设计能让查询速度提升10-100倍。索引本质上是特殊的数据结构（B-Tree），存储着字段值的排序副本。
主要索引类型：
  1. # 单字段索引示例
  2. async def create_single_index():
  3.     await db.products.create_index("name")
  6. # 复合索引示例（注意字段顺序）
  7. async def create_compound_index():
  8.     await db.orders.create_index([("user_id", 1), ("order_date", -1)])
  11. # 唯一索引示例
  12. async def create_unique_index():
  13.     await db.users.create_index("email", unique=True)
  16. # TTL索引示例（自动过期）
  17. async def create_ttl_index():
  18.     await db.logs.create_index("created_at", expireAfterSeconds=3600)
复制代码
2. 索引创建与管理实战

在FastAPI中集成Motor进行索引管理的最佳实践：
  1. from fastapi import APIRouter
  2. from motor.motor_asyncio import AsyncIOMotorClient
  3. from pydantic import BaseModel
  5. router = APIRouter()
  8. class Product(BaseModel):
  9.     name: str
  10.     price: float
  11.     category: str
  14. # 连接MongoDB
  15. client = AsyncIOMotorClient("mongodb://localhost:27017")
  16. db = client["ecommerce"]
  19. @router.on_event("startup")
  20. async def initialize_indexes():
  21.     # 创建复合索引
  22.     await db.products.create_index([("category", 1), ("price", -1)])
  24.     # 文本搜索索引
  25.     await db.products.create_index([("name", "text")])
  27.     # 地理位置索引（需2dsphere）
  28.     await db.stores.create_index([("location", "2dsphere")])
复制代码
3. 查询性能优化策略

3.1 使用Explain分析查询
  1. async def analyze_query():
  2.     cursor = db.products.find({"price": {"$gt": 100}})
  3.     explain = await cursor.explain()
  4.     print(f"使用的索引：{explain['queryPlanner']['winningPlan']['inputStage']['indexName']}")
  5.     print(f"扫描文档数：{explain['executionStats']['totalDocsExamined']}")
复制代码
3.2 覆盖查询优化
  1. async def covered_query():
  2.     # 只查询索引包含的字段
  3.     projection = {"_id": 0, "name": 1, "category": 1}
  4.     cursor = db.products.find({"category": "electronics"}, projection)
  5.     async for doc in cursor:
  6.         print(doc)
复制代码
3.3 聚合管道优化
  1. async def optimized_aggregation():
  2.     pipeline = [
  3.         {"$match": {"status": "completed"}},
  4.         {"$sort": {"total_amount": -1}},
  5.         {"$group": {
  6.             "_id": "$user_id",
  7.             "total_spent": {"$sum": "$total_amount"}
  8.         }},
  9.         {"$limit": 10}
  10.     ]
  12.     # 添加hint强制使用索引
  13.     cursor = db.orders.aggregate(pipeline).hint([("status", 1), ("total_amount", -1)])
  14.     results = await cursor.to_list(length=10)
  15.     return results
复制代码
4. 性能调优实战案例

电商平台订单查询优化：
  1. class OrderQuery(BaseModel):
  2.     user_id: str
  3.     start_date: datetime
  4.     end_date: datetime
  5.     min_amount: float = None
  8. @router.post("/orders/search")
  9. async def search_orders(query: OrderQuery):
  10.     # 构建查询条件
  11.     conditions = {
  12.         "user_id": query.user_id,
  13.         "order_date": {"$gte": query.start_date, "$lte": query.end_date}
  14.     }
  15.     if query.min_amount:
  16.         conditions["total_amount"] = {"$gte": query.min_amount}
  18.     # 使用复合索引优化查询
  19.     projection = {"_id": 0, "order_id": 1, "total_amount": 1, "items": 1}
  20.     cursor = db.orders.find(
  21.         conditions,
  22.         projection
  23.     ).sort("order_date", -1).hint([("user_id", 1), "order_date", -1)])
  25.     return await cursor.to_list(length=100)
复制代码
5. 课后Quiz

Q1：以下哪种索引顺序更适合查询db.orders.find({"status":"shipped", "total":{$gt:100}}).sort("ship_date":1)？
A) (status, total, ship_date)
B) (status, ship_date, total)
C) (ship_date, status, total)
正确答案：A
解析：等值查询字段(status)应放在最前，范围查询字段(total)在后，排序字段(ship_date)在最后可以避免内存排序
Q2：如何判断查询是否使用了覆盖索引？
A) 检查执行时间
B) 查看explain输出中的totalDocsExamined
C) 观察返回字段是否都在索引中
正确答案：C
解析：覆盖查询需要所有返回字段都包含在索引中，且查询不包含_id字段或显式排除
6. 常见报错解决方案

报错1：OperationFailure: Error creating index
原因：尝试在已存在重复值的字段上创建唯一索引
解决：
  1. # 先清理重复数据
  2. async def clean_duplicate_emails():
  3.     pipeline = [
  4.         {"$group": {"_id": "$email", "dups": {"$push": "$_id"}, "count": {"$sum": 1}}},
  5.         {"$match": {"count": {"$gt": 1}}}
  6.     ]
  7.     async for dup in db.users.aggregate(pipeline):
  8.         await db.users.delete_many({"_id": {"$in": dup["dups"][1:]}})
复制代码
报错2：查询性能突然下降
可能原因：索引碎片化或统计信息过期
解决：
  1. # 重建索引
  2. async def rebuild_indexes():
  3.     await db.products.drop_index("category_1_price_-1")
  4.     await db.products.create_index([("category", 1), ("price", -1)])
复制代码
报错3：Executor error during find command: Too many documents scanned
原因：查询未命中索引或索引选择不当
解决：

  • 使用explain分析查询计划
  • 添加适当的索引
  • 优化查询条件，减少扫描范围
运行环境要求：

  • Python 3.8+
  • FastAPI==0.78.0
  • motor==3.1.1
  • pydantic==1.10.7
  • uvicorn==0.18.2
安装命令：
  1. pip install fastapi==0.78.0 motor==3.1.1 pydantic==1.10.7 uvicorn==0.18.2
复制代码
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