非关系型

我们在上面其实已经多次提到了 MongoDB 是非关系型的文档数据库，它完全抛弃了关系型数据库那一套体系之后，在设计和实现上就非常自由，它不再需要遵循 SQL 和关系型数据库的体系，可以更自由对特定场景进行优化，而在 MongoDB 假设的场景中遍历数据并不是常见的需求。

mysql-innodb-b-plus-tree

MySQL 中使用 B+ 树是因为 B+ 树只有叶节点会存储数据，将树中的每一个叶节点通过指针连接起来就能实现顺序遍历，而遍历数据在关系型数据库中非常常见，所以这么选择是完全没有问题的⁷。

MongoDB 和 MySQL 在多个不同数据结构之间选择的最终目的就是减少查询需要的随机 IO 次数，MySQL 认为遍历数据的查询是常见的，所以它选择 B+ 树作为底层数据结构，而舍弃了通过非叶节点存储数据这一特性，但是 MongoDB 面对的问题就不太一样了：

mongodb-wiredtiger-b-tree

虽然遍历数据的查询是相对常见的，但是 MongoDB 认为查询单个数据记录远比遍历数据更加常见，由于 B 树的非叶结点也可以存储数据，所以查询一条数据所需要的平均随机 IO 次数会比 B+ 树少，使用 B 树的 MongoDB 在类似场景中的查询速度就会比 MySQL 快。这里并不是说 MongoDB 并不能对数据进行遍历，我们在 MongoDB 中也可以使用范围来查询一批满足对应条件的记录，只是需要的时间会比 MySQL 长一些。

SQL

SELECT * FROM comments WHERE created_at > '2019-01-01'

很多人看到遍历数据的查询想到的可能都是如上所示的范围查询，然而在关系型数据库中更常见的其实是如下所示的 SQL —— 查询外键或者某字段等于某一个值的全部记录：

SQL

SELECT * FROM comments WHERE post_id = 1

上述查询其实并不是范围查询，它没有使用 >、< 等表达式，但是它却会在 comments 表中查询一系列的记录，如果 comments 表上有索引 post_id，那么这个查询可能就会在索引中遍历相应索引，找到满足条件的 comment，这种查询也会受益于 MySQL B+ 树相互连接的叶节点，因为它能减少磁盘的随机 IO 次数。

MongoDB 作为非关系型的数据库，它从集合的设计上就使用了完全不同的方法，如果我们仍然使用传统的关系型数据库的表设计思路来思考 MongoDB 中集合的设计，写出类似如上所示的查询会带来相对比较差的性能：

JavaScript

db.comments.find( { post_id: 1 } )

因为 B 树的所有节点都能存储数据，各个连续的节点之间没有很好的办法通过指针相连，所以上述查询在 B 树中性能会比 B+ 树差很多，但是这并不是一个 MongoDB 中推荐的设计方法，更合适的做法其实是使用嵌入文档，将 post 和属于它的所有 comments 都存储到一起：

JSON

{
    "_id": "...",
    "title": "为什么 MongoDB 使用 B 树",
    "author": "draven",
    "comments": [
        {
            "_id": "...",
            "content": "你这写的不行"
        },
        {
            "_id": "...",
            "content": "一楼说的对"
        }
    ]
}

使用上述方式对数据进行存储时就不会遇到 db.comments.find( { post_id: 1 } ) 这样的查询了，我们只需要将 post 取出来就会获得相关的全部评论，这种区别于传统关系型数据库的设计方式是需要所有使用 MongoDB 的开发者重新思考的，这也是很多人使用 MongoDB 后却发现性能不如 MySQL 的最大原因 —— 使用的姿势不对。

有些读者到这里可能会有疑问了，既然 MongoDB 认为查询单个数据记录远比遍历数据的查询更加常见，那为什么不使用哈希作为底层的数据结构呢？

datastructures-and-query

如果我们使用哈希，那么对于所有单条记录查询的复杂度都会是 O(1)，但是遍历数据的复杂度就是 O(n)；如果使用 B+ 树，那么单条记录查询的复杂度是 O(log n)，遍历数据的复杂度就是 O(log n) + X，这两种不同的数据结构一种提供了最好的单记录查询性能，一种提供了最好的遍历数据的性能，但是这都不能满足 MongoDB 面对的场景 —— 单记录查询非常常见，但是对于遍历数据也需要有相对较好的性能支持，哈希这种性能表现较为极端的数据结构往往只能在简单、极端的场景下使用。

本文转载自Draveness技术博客。

原文链接：https://draveness.me/whys-the-design-mongodb-b-tree

创作场景

为什么 MongoDB 使用 B 树（二）