基于mongoDB和C#分布式海量文件存储实例

作者：袖梨 2022-06-25

1、单机小文件的存储，逐步增加上传文件的大小，观察mongoDB中文件对磁盘分配大小的变化。

2、采用分片的方式存储大量的数据

实验一：

首先建立一个数据库gywdb，上传一个574.5kB大小的文件，代码如下：

代码如下

复制代码

View Code
using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using MongoDB.Bson;
using MongoDB.Driver;
using MongoDB.Driver.GridFS;

namespace mongoDBClient
{
    class MainClass
    {
        public static void Main (string[] args)
        {
             //mongoDb服务实例连接字符串
            string con="mongodb://localhost:27017";
            //得到一个于mongoDB服务器连接的实例
            MongoServer server=MongoServer.Create(con);
            //获得一个与具体数据库连接对象,数据库名为gywdb
            MongoDatabase mydb=server.GetDatabase("gywdb");
            //定义一个本地文件的路径字符串
            string localFileName="/home/guoyuanwei/学习资料/Google三大论文中文版.pdf";
            //定义mongoDB数据库中文件的名称
            string mongoDBFileName="Google三大论文中文版";
            //设置GridFS文件中对应的集合前缀名
              MongoGridFSSettings fsSetting=new MongoGridFSSettings(){Root="gyw"};
            //实例化一个GridFS
              MongoGridFS gridfs=new MongoGridFS(mydb,fsSetting);
            //将本地文件上传到mongoDB中去,以默认块的大小256KB对文件进行分块
            gridfs.Upload(localFileName,mongoDBFileName);

}
}
}

运行命令：> show collections
gyw.chunks
gyw.files
可以看到得到了一个前缀为gyw的文件元数据存储的集合gyw.files和存储文件数据块的gyw.chunks

代码如下	复制代码
运行命令> db.gyw.chunks.find({},{"_id":1,"n":1}) { "_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfec"), "n" : 0 } { "_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfed"), "n" : 1 } { "_id" : ObjectId("4fc0a6da1d41c808f45cbfee"), "n" : 2 }

得到3个块数据，因为文件总大小为574.5KB，每个块采用的是默认大小256KB，所以得到了3个块。此时磁盘文件系统中，mongoDB自动生成了3个文件分别是：

gywdb.0(大小为64MB),gywdb.1(大小为128MB),gywdb.ns(存储命名空间源数据)，这里分配机制体现了mongoDB的文件分配策略，每个数据库有一个.ns文件和若干个数据文件

，数据文件以递增的数字结尾。每个新的以数字结尾的数据文件大小会加倍，直到达到最大值2GB，这是为了让小数据库不浪费太多的磁盘空间，同时让大数据使用磁盘上连续的空间。

MongoDB为了保证性能还会预分配数据文件，这意味着MongoDB服务器总是试图为每一个数据库保留一个额外的空数据文件，来避免文件分配所产生的阻塞。

接着利用上面的代码再上传一个大小为2.4MB大小的文件到mongoDB的文件系统中

代码如下

复制代码

运行命令：> db.gyw.chunks.find({},{"_id":1,"n":1,"files_id":1})
{ "_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfec"), "files_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfe9"), "n" : 0 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfed"), "files_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfe9"), "n" : 1 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a6da1d41c808f45cbfee"), "files_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfe9"), "n" : 2 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191105"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 0 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191106"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 1 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191107"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 2 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191108"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 3 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191109"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 4 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c8091019110a"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 5 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c8091019110b"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 6 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c8091019110c"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 7 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c8091019110d"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 8 }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c8091019110e"), "files_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "n" : 9 }

可以看到块中多了10个块，而且第一次上传的文件块中“files_id" 为 ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfe9")，第二次上传的文件为ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102")，

这个files_id代表了这个块是属于那个文件的。如下命令显示了文件系统中文件元数据信息

代码如下

复制代码

这个里面的"_id"值正好对应了上面块中的“files_id”

这时在观察磁盘文件系统中mongoDB自动生成的文件，发现和第一次一样，说明数据还没达到第一个数据文件gywdb.0的总大小（64MB）。

接着再利用上面的代码上传一个大小为112.2MB大小的文件到mongoDB的文件系统中，利用命令：

代码如下

复制代码

> db.gyw.files.find()
{ "_id" : ObjectId("4fc0a6d91d41c808f45cbfe9"), "filename" : "百度大规模数据处理", "length" : 588276, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-26T09:48:09.357Z"), "md5" : "5e55fb7496d41a52eb90daeac9e06936" }
{ "_id" : ObjectId("4fc0a8cf1d41c80910191102"), "filename" : "Google三大论文中文版", "length" : 2526950, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-26T09:56:31.143Z"), "md5" : "605f1deec1a277e3d878dfc6f3491cce" }
{ "_id" : ObjectId("4fc0b3a31d41c8099f80a9ac"), "filename" : "微软官方2010年宽屏PPT图表全集400张锐普PPT论坛首发", "length" : 117652480, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-26T10:42:43.773Z"), "md5" : "506810e215c773addc3ce10a035695d9" }

发现多了一个文件微软官方2010年宽屏PPT图表全集400张锐普PPT论坛首发，证明上传成功了，再观察磁盘文件系统中mongoDB自动生成的文件，发现多了一个gywdb.2（大小为256MB），这证明了mongoDB文件分配机制。

实验二：数据的分布式存储即分片测试

准备：两台分片服务器（在同一台主机上，通过端口来区分，分别为：20000，20001），一台路由服务器（端口为：40000，所有的读写请求都必须经过它），一台配置服务器（端口为：30000）

代码如下

复制代码

root@ubuntu:/# mkdir -p /data/shard/s0
root@ubuntu:/# mkdir -p /data/shard/s1
root@ubuntu:/# mkdir -p /data/shard/log
上面的命令为建立两个分片服务器的数据存放路径以及日志文件路径

root@ubuntu:/usr/local/mongoDB/bin# ./mongod --shardsvr --port 20000 --dbpath /data/shard/s0 --fork --logpath /data/shard/log/s0.log --directoryperdb
root@ubuntu:/usr/local/mongoDB/bin# ./mongod --shardsvr --port 20001 --dbpath /data/shard/s1 --fork --logpath /data/shard/log/s1.log --directoryperdb
上面的命令为启动两个分片服务器，注意其中各参数的意义

root@ubuntu:/# mkdir -p /data/shard/config
root@ubuntu:/usr/local/mongoDB/bin# ./mongod --configsvr --port 30000 --dbpath /data/shard/config --fork --logpath /data/shard/log/config.log --directoryperdb

上面的命令为启动配置服务器端口为3000

# ./mongos --port 40000 --configdb localhost:30000 --fork --logpath /data/shard/log/route.log
上面的命令是启动路由服务器，注意里面的参数configdb表示配置服务器的位置，因为路由服务器启动时需要从配置服务器上获取相应的信息

下面的命令是连接路由服务器并做一些配置：

代码如下	复制代码
root@ubuntu:/usr/local/mongoDB/bin# ./mongo admin --port 40000 MongoDB shell version: 2.0.4 connecting to: 127.0.0.1:40000/admin mongos> db.runCommand({addshard:"localhost:20000"}) { "shardAdded" : "shard0000", "ok" : 1 } mongos> db.runCommand({addshard:"localhost:20001"}) { "shardAdded" : "shard0001", "ok" : 1 } mongos> db.runCommand({enablesharding:"userDB"}) { "ok" : 1 }

上面的命令完成了将两个服务器添加到分片集群中，在端口为40000的路由服务器上建立了一个数据库userDB，并将此数据库配置为可以进行分片。

接下来通过C#编写代码，完成文件的上传，观察数据被分片存储的情况，代码如下：

代码如下

复制代码

View Code
using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using MongoDB.Bson;
using MongoDB.Driver;
using MongoDB.Driver.GridFS;

namespace mongoDBClient
{
    class MainClass
    {
        public static void Main (string[] args)
        {
             //mongoDb服务实例连接字符串
            string con="mongodb://localhost:40000";
            //得到一个于mongoDB服务器连接的实例
            MongoServer server=MongoServer.Create(con);
            //获得一个与具体数据库连接对象,数据库名为gywdb
            MongoDatabase mydb=server.GetDatabase("userDB");
            //定义一个本地文件的路径字符串
            string localFileName="/home/guoyuanwei/学习资料/微软官方2010年宽屏PPT图表全集400张锐普PPT论坛首发.ppt";
            //定义mongoDB数据库中文件的名称
            string mongoDBFileName="微软官方2010年宽屏PPT图表全集400张锐普PPT论坛首发";
            //设置GridFS文件中对应的集合前缀名
              MongoGridFSSettings fsSetting=new MongoGridFSSettings(){Root="userdata"};
            //实例化一个GridFS
              MongoGridFS gridfs=new MongoGridFS(mydb,fsSetting);
            //将本地文件上传到mongoDB中去,以默认块的大小256KB对文件进行分块
            gridfs.Upload(localFileName,mongoDBFileName);

}
}
}

上传了一个112.2MB的文件到路由服务器中。通过以下命令观察下此时数据库中集合情况

代码如下

复制代码

mongos> use userDB
switched to db userDB
mongos> show collections

system.indexes
userdata.chunks
userdata.files

此时数据库中有新增加了两个集合userdata.chunks和userdata.files，其中userdata.chunks是真正存储数据的地方。以下命令观察此集合的概况

代码如下

复制代码

mongos> db.userdata.chunks.stats()
{
    "sharded" : false,
    "primary" : "shard0000",
    "ns" : "userDB.userdata.chunks",
    "count" : 449,
    "size" : 117711616,
    "avgObjSize" : 262163.95545657014,
    "storageSize" : 135131136,
    "numExtents" : 12,
    "nindexes" : 2,
    "lastExtentSize" : 26034176,
    "paddingFactor" : 1,
    "flags" : 1,
    "totalIndexSize" : 57232,
    "indexSizes" : {
        "_id_" : 24528,
        "files_id_1_n_1" : 32704
    },
    "ok" : 1
}

其中 "sharded" : false表明此表还没进行分片存储，路由服务器此时将数据全部保存到分片0所对应的服务器中了，文件的大小为117711616字节，在linux下通过文件系统的命令：

代码如下

复制代码

root@ubuntu:/usr/local/mongoDB/bin# cd /data/shard/s0/userDB
root@ubuntu:/data/shard/s0/userDB# ls -l
总用量 475156
drwxr-xr-x 2 root root 4096 2012-05-27 16:57 _tmp
-rw------- 1 root root 67108864 2012-05-27 16:57 userDB.0
-rw------- 1 root root 134217728 2012-05-27 16:57 userDB.1
-rw------- 1 root root 268435456 2012-05-27 16:57 userDB.2
-rw------- 1 root root 16777216 2012-05-27 16:57 userDB.ns

发现文件确实被存在分片0所对应的服务器中。

继续上传更大的文件到路由服务器，突破分片设置中的默认块的大小200MB，看是什么情况？代码仍然如上，只是修改上传的文件，上传的文件大小为：393.0MB

代码如下

复制代码

View Code
using System;
using System.Collections;
using System.Collections.Generic;
using MongoDB.Bson;
using MongoDB.Driver;
using MongoDB.Driver.GridFS;

namespace mongoDBClient
{
    class MainClass
    {
        public static void Main (string[] args)
        {
             //mongoDb服务实例连接字符串
            string con="mongodb://localhost:40000";
            //得到一个于mongoDB服务器连接的实例
            MongoServer server=MongoServer.Create(con);
            //获得一个与具体数据库连接对象,数据库名为gywdb
            MongoDatabase mydb=server.GetDatabase("userDB");
            //定义一个本地文件的路径字符串
            string localFileName="/home/guoyuanwei/学习资料/Platform5.24.rar";
            //定义mongoDB数据库中文件的名称
            string mongoDBFileName="软件源代码";
            //设置GridFS文件中对应的集合前缀名
              MongoGridFSSettings fsSetting=new MongoGridFSSettings(){Root="userdata"};
            //实例化一个GridFS
              MongoGridFS gridfs=new MongoGridFS(mydb,fsSetting);
            //将本地文件上传到mongoDB中去,以默认块的大小256KB对文件进行分块
            gridfs.Upload(localFileName,mongoDBFileName);

}
}
}

首先通过以下命令观察root@ubuntu:/data/shard/s0/userDB# ls -l
总用量 2048028
drwxr-xr-x 2 root root       4096 2012-05-27 17:22 _tmp
-rw------- 1 root root   67108864 2012-05-27 17:22 userDB.0
-rw------- 1 root root 134217728 2012-05-27 17:22 userDB.1
-rw------- 1 root root 268435456 2012-05-27 17:22 userDB.2
-rw------- 1 root root 536870912 2012-05-27 17:22 userDB.3
-rw------- 1 root root 1073741824 2012-05-27 17:22 userDB.4
-rw------- 1 root root   16777216 2012-05-27 17:22 userDB.ns
发现文件还是被存到默认的分片服务器0上。分片1上的数据还没有。尽管文件的总大小已经达到了需要分片存储的条件，即块的大小200MB
因此下面需要重新设置路由服务器，使其对集合userDB.userdata.chunks（这个里面存储了用户上传的文件）进行分片。

要想实现海量数据的分布式存储，那么就要对集合进行分片，因此片键的选择是至关重要的，它直接决定了集群中数据分布是否均衡、集群性能是否合理。那么我们究竟该选择什么样的字段来作为分片Key呢？这是个需要反复实践总结的地方。由于这里利用了分布式文件系统GridFS，因此有几点要说明（碰到错误，在网上查到的http://blog.111com.net/zhangzhaokun/article/details/6324389）：GridFS

根据需求的不同，GridFS有几种不同的分片方法。基于预先存在的索引是惯用的分片办法：

1）“files”集合（Collection）不会分片,所有的文件记录都会位于一个分片上,高度推荐使该分片保持高度灵活（至少使用由3个节点构成的replica set）。

2）“chunks”集合（Collection）应该被分片，并且用索引”files_id:1”。已经存在的由MongoDB的驱动来创建的“files_id,n”索引不能用作分片Key（这个是一个分片约束，后续会被修复），所以不得不创建一个独立的”files_id”索引。使用“files_id”作为分片Key的原因是一个特定的文件的所有Chunks都是在相同的分片上，非常安全并且允许运行“filemd5”命令（要求特定的驱动）。

前面已经分析过，在userDB.userdata.chunks集合中每一个记录都有一个字段file_id,代表了此块属于哪个文件，因此这里建一个以file_id的索引，以此字段键做为片键，同一个文件的块会被分配到同一个分片下

mongos> db.userdata.chunks.ensureIndex({files_id:1})
设置片键的命令如下：

代码如下	复制代码
mongos> db.runCommand({shardcollection:"userDB.userdata.chunks",key:{files_id:1}} { "collectionsharded" : "userDB.userdata.chunks", "ok" : 1 }

再次查看此表的状态： "sharded" : true说明此集合被分片了。

代码如下

复制代码

mongos> db.userdata.chunks.stats()
{
    "sharded" : true,
    "flags" : 1,
    "ns" : "userDB.userdata.chunks",
    "count" : 2022,
    "numExtents" : 19,
    "size" : 529953820,
    "storageSize" : 538714112,
    "totalIndexSize" : 245280,
    "indexSizes" : {
        "_id_" : 73584,
        "files_id_1" : 73584,
        "files_id_1_n_1" : 98112
    },
    "avgObjSize" : 262093.87734915924,
    "nindexes" : 3,
    "nchunks" : 2,
    "shards" : {
        "shard0000" : {
            "ns" : "userDB.userdata.chunks",
            "count" : 2022,
            "size" : 529953820,
            "avgObjSize" : 262093.87734915924,
            "storageSize" : 538714112,
            "numExtents" : 19,
            "nindexes" : 3,
            "lastExtentSize" : 93306880,
            "paddingFactor" : 1,
            "flags" : 1,
            "totalIndexSize" : 245280,
            "indexSizes" : {
                "_id_" : 73584,
                "files_id_1_n_1" : 98112,
                "files_id_1" : 73584
            },
            "ok" : 1
        }
    },
    "ok" : 1
}

多次执行如下代码上传文件后：执行如下命令观看系统中存在的文件

mongos> db.userdata.files.find()
{ "_id" : ObjectId("4fc1ec6c1d41c809ed4230d3"), "filename" : "微软官方2010年宽屏PPT图表全集400张锐普PPT论坛首发", "length" : 117652480, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-27T08:57:16.676Z"), "md5" : "506810e215c773addc3ce10a035695d9" }
{ "_id" : ObjectId("4fc1f2451d41c80b0f29eda1"), "filename" : "软件源代码", "length" : 412116413, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-27T09:22:13.443Z"), "md5" : "28cadbb180093dbcd15b25f0e741ae0a" }
{ "_id" : ObjectId("4fc1fe7d1d41c80b4d4a17cb"), "filename" : "新的软件源代码", "length" : 412116413, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-27T10:14:21.845Z"), "md5" : "28cadbb180093dbcd15b25f0e741ae0a" }
{ "_id" : ObjectId("4fc212541d41c80ba8e1180f"), "filename" : "新微软PPT", "length" : 117652480, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-27T11:39:00.598Z"), "md5" : "506810e215c773addc3ce10a035695d9" }
{ "_id" : ObjectId("4fc21b9e1d41c80747e207e8"), "filename" : "新微软PPT1", "length" : 117652480, "chunkSize" : 262144, "uploadDate" : ISODate("2012-05-27T12:18:38.183Z"), "md5" : "506810e215c773addc3ce10a035695d9" }
可以看到实验上传了5个文件

执行以下命令观察文件分块后在集群中的部署情况：

代码如下

复制代码

mongos> db.userdata.chunks.stats()
{
    "sharded" : true,
    "flags" : 0,
    "ns" : "userDB.userdata.chunks",
    "count" : 4493,
    "numExtents" : 35,
    "size" : 1177568872,
    "storageSize" : 1274904576,
    "totalIndexSize" : 531440,
    "indexSizes" : {
        "_id_" : 163520,
        "files_id_1" : 155344,
        "files_id_1_n_1" : 212576
    },
    "avgObjSize" : 262089.66659247718,
    "nindexes" : 3,
    "nchunks" : 3,
    "shards" : {
        "shard0000" : {
            "ns" : "userDB.userdata.chunks",
            "count" : 4044,
            "size" : 1059857256,
            "avgObjSize" : 262081.4183976261,
            "storageSize" : 1139773440,
            "numExtents" : 23,
            "nindexes" : 3,
            "lastExtentSize" : 193486848,
            "paddingFactor" : 1,
            "flags" : 0,
            "totalIndexSize" : 449680,
            "indexSizes" : {
                "_id_" : 138992,
                "files_id_1_n_1" : 179872,
                "files_id_1" : 130816
            },
            "ok" : 1
        },
        "shard0001" : {
            "ns" : "userDB.userdata.chunks",
            "count" : 449,
            "size" : 117711616,
            "avgObjSize" : 262163.95545657014,
            "storageSize" : 135131136,
            "numExtents" : 12,
            "nindexes" : 3,
            "lastExtentSize" : 26034176,
            "paddingFactor" : 1,
            "flags" : 1,
            "totalIndexSize" : 81760,
            "indexSizes" : {
                "_id_" : 24528,
                "files_id_1_n_1" : 32704,
                "files_id_1" : 24528
            },
            "ok" : 1
        }
    },
    "ok" : 1
}

执行命令观察分片的概况

代码如下

复制代码

printShardingStatus()
--- Sharding Status ---
sharding version: { "_id" : 1, "version" : 3 }
shards:
    { "_id" : "shard0000", "host" : "localhost:20000" }
    { "_id" : "shard0001", "host" : "localhost:20001" }
databases:
    { "_id" : "admin", "partitioned" : false, "primary" : "config" }
    { "_id" : "userDB", "partitioned" : true, "primary" : "shard0000" }
        userDB.userdata.chunks chunks:
                shard0000    2
                shard0001    1
            { "files_id" : { $minKey : 1 } } -->> { "files_id" : ObjectId("4fc1f2451d41c80b0f29eda1") } on : shard0000 { "t" : 2000, "i" : 1 }
            { "files_id" : ObjectId("4fc1f2451d41c80b0f29eda1") } -->> { "files_id" : ObjectId("4fc21b9e1d41c80747e207e8") } on : shard0000 { "t" : 1000, "i" : 2 }
            { "files_id" : ObjectId("4fc21b9e1d41c80747e207e8") } -->> { "files_id" : { $maxKey : 1 } } on : shard0001 { "t" : 2000, "i" : 0 }

至此一个简单的分布式文件存储模型实验完毕！

基于mongoDB和C#分布式海量文件存储实例

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