MongoDB-定位-oplog-必须全表扫描吗

MongoDB oplog（类似于 MySQL binlog）记录数据库的所有修改操作，除了用于主备同步；oplog 还能玩出很多花样，比如

1. 全量备份 + 增量备份所有的 oplog，就能实现 MongoDB 恢复到任意时间点的功能
2. 通过 oplog，除了实现到备节点的同步，也可以额外再往单独的集群同步数据（甚至是异构的数据库），实现容灾、多活等场景，比如阿里云开源的 MongoShake 就能实现基于 oplog 的增量同步。
3. MongoDB 3.6+ 版本对 oplog 进行了抽象，提供了 Change Stream 的接口，实际上就是能不断订阅数据库的修改，基于这些修改可以触发一些自定义的事件。
4. ……

总的来说，MongoDB 可以通过 oplog 来跟生态对接，来实现数据的同步、迁移、恢复等能力。而在构建这些能力的时候，有一个通用的需求，就是工具或者应用需要有不断拉取 oplog 的能力；这个过程通常是

1. 根据上次拉取的位点构建一个 cursor
2. 不断迭代 cursor 获取新的 oplog

那么问题来了，由于 MongoDB oplog 本身没有索引的，每次定位 oplog 的起点都需要进行全表扫描么？

oplog 的实现细节

{"ts" : Timestamp(1563950955, 2), "t" : NumberLong(1), "h" : NumberLong("-5936505825938726695"), "v" : 2, "op" : "i", "ns" : "test.coll", "ui" : UUID("020b51b7-15c2-4525-9c35-cd50f4db100d"), "wall" : ISODate("2019-07-24T06:49:15.903Z"), "o" : {"_id" : ObjectId("5d37ff6b204906ac17e28740"), "x" : 0 } }
{"ts" : Timestamp(1563950955, 3), "t" : NumberLong(1), "h" : NumberLong("-1206874032147642463"), "v" : 2, "op" : "i", "ns" : "test.coll", "ui" : UUID("020b51b7-15c2-4525-9c35-cd50f4db100d"), "wall" : ISODate("2019-07-24T06:49:15.903Z"), "o" : {"_id" : ObjectId("5d37ff6b204906ac17e28741"), "x" : 1 } }
{"ts" : Timestamp(1563950955, 4), "t" : NumberLong(1), "h" : NumberLong("1059466947856398068"), "v" : 2, "op" : "i", "ns" : "test.coll", "ui" : UUID("020b51b7-15c2-4525-9c35-cd50f4db100d"), "wall" : ISODate("2019-07-24T06:49:15.913Z"), "o" : {"_id" : ObjectId("5d37ff6b204906ac17e28742"), "x" : 2 } }

上面是 MongoDB oplog 的示例，oplog MongoDB 也是一个集合，但与普通集合不一样

1. oplog 是一个 capped collection，但超过配置大小后，就会删除最老插入的数据
2. oplog 集合没有 id 字段，ts 可以作为 oplog 的唯一标识; oplog 集合的数据本身是按 ts 顺序组织的
3. oplog 没有任何索引字段，通常要找到某条 oplog 要走全表扫描

我们在拉取 oplog 时，第一次从头开始拉取，然后每次拉取使用完，会记录最后一条 oplog 的 ts 字段；如果应用发生重启，这时需要根据上次拉取的 ts 字段，先找到拉取的起点，然后继续遍历。

oplogHack 优化

注：以下实现针对 WiredTiger 存储引擎，需要 MongoDB 3.0+ 版本才能支持

如果 MongoDB 底层使用的是 WiredTiger 存储引擎，在存储 oplog 时，实际上做过优化。MongoDB 会将 ts 字段作为 key，oplog 的内容作为 value，将 key-value 存储到 WiredTiger 引擎里，WiredTiger 默认配置使用 btree 存储，所以 oplog 的数据在 WT 里实际上也是按 ts 字段顺序存储的，既然是顺序存储，那就有二分查找优化的空间。

MongoDB find 命令提供了一个选项，专门用于优化 oplog 定位。

大致意思是，如果你 find 的集合是 oplog，查找条件是针对 ts 字段的 gte、gt、eq，那么 MongoDB 字段会进行优化，通过二分查找快速定位到起点; 备节点同步拉取 oplog 时，实际上就带了这个选项，这样备节点每次重启，都能根据上次同步的位点，快速找到同步起点，然后持续保持同步。

oplogHack 实现

由于咨询问题的同学对内部实现感兴趣，这里简单的把重点列出来，要深刻理解，还是得深入撸细节。

// src/monogo/db/query/get_executor.cpp
StatusWith<unique_ptr<PlanExecutor>> getExecutorFind(OperationContext* txn,
                                                     Collection* collection,
                                                     const NamespaceString& nss,
                                                     unique_ptr<CanonicalQuery> canonicalQuery,
                                                     PlanExecutor::YieldPolicy yieldPolicy) {
    // 构建 find 执行计划时，如果发现有 oplogReplay 选项，则走优化路径
    if (NULL != collection && canonicalQuery->getQueryRequest().isOplogReplay()) {return getOplogStartHack(txn, collection, std::move(canonicalQuery));
    }

   ...

    return getExecutor(txn, collection, std::move(canonicalQuery), PlanExecutor::YIELD_AUTO, options);
}

 StatusWith<unique_ptr<PlanExecutor>> getOplogStartHack(OperationContext* txn,
                                                   Collection* collection,
                                                   unique_ptr<CanonicalQuery> cq) {

    // See if the RecordStore supports the oplogStartHack
    // 如果底层引擎支持（WT 支持，mmapv1 不支持），根据查询的 ts，找到 startLoc
    const BSONElement tsElem = extractOplogTsOptime(tsExpr);
    if (tsElem.type() == bsonTimestamp) {StatusWith<RecordId> goal = oploghack::keyForOptime(tsElem.timestamp());
        if (goal.isOK()) {
            // 最终调用 src/mongo/db/storage/wiredtiger/wiredtiger_record_store.cpp::oplogStartHack
            startLoc = collection->getRecordStore()->oplogStartHack(txn, goal.getValue());
        }
    }

     // Build our collection scan...
     // 构建全表扫描参数时，带上 startLoc，真正执行是会快速定位到这个点
    CollectionScanParams params;
    params.collection = collection;
    params.start = *startLoc;
    params.direction = CollectionScanParams::FORWARD;
    params.tailable = cq->getQueryRequest().isTailable();
}

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本文作者：张友东

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