MongoDB 原子操作（Atomic Operations）完全指南

核心结论：MongoDB 的 原子操作是单文档级别的，通过 写操作符（$set, $inc 等）实现 并发安全，无需锁，是高并发系统的基石。

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一、原子操作核心原理

特性	说明
单文档原子性	一次操作只影响 一个文档
字段级更新	使用 $ 操作符修改字段
无锁实现	底层 MVCC + WiredTiger 并发控制
多文档需事务	MongoDB 4.0+ 支持

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二、常用原子操作符

操作符	功能	示例
$set	设置字段值	{ $set: { status: "completed" } }
$unset	删除字段	{ $unset: { temp: "" } }
$inc	增减数值	{ $inc: { views: 1, likes: -1 } }
$mul	乘法	{ $mul: { price: 1.1 } }
$min / $max	取最小/最大	{ $min: { score: 95 } }
$push	追加数组元素	{ $push: { tags: "mongodb" } }
$addToSet	去重追加	{ $addToSet: { followers: userId } }
$pop	移除首/尾元素	{ $pop: { logs: 1 } }
$pull	按条件移除	{ $pull: { tags: "old" } }
$rename	重命名字段	{ $rename: { old: "new" } }

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三、原子性实战案例

1. 库存扣减（高并发安全）

db.products.updateOne(
  { _id: "p001", stock: { $gte: 1 } },  // 条件：库存充足
  { $inc: { stock: -1, sold: 1 } }       // 原子扣减
)

原子性保证：即使 1000 个请求同时到达，只会成功扣减 stock 至 0

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2. 点赞/计数器

db.posts.updateOne(
  { _id: "post123" },
  { 
    $inc: { likes: 1 },
    $set: { lastLikedAt: new Date() }
  }
)

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3. 数组去重追加（关注系统）

db.users.updateOne(
  { _id: "u1" },
  { $addToSet: { following: "u2" } }
)

不会重复添加 u2

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4. 条件更新（FindAndModify）

db.queue.findAndModify({
  query: { status: "pending" },
  sort: { priority: -1 },
  update: { $set: { status: "processing", worker: "w1" } },
  new: true  // 返回更新后文档
})

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四、原子操作 vs 多文档事务

场景	推荐方式
单文档计数、状态变更	原子操作符（首选）
转账（扣A + 加B）	多文档事务（4.0+）
订单 + 库存 + 日志	事务

// 多文档事务示例
const session = await client.startSession();
try {
  session.startTransaction();

  await orders.insertOne(doc, { session });
  await inventory.updateOne(filter, update, { session });

  await session.commitTransaction();
} catch (e) {
  await session.abortTransaction();
}

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五、原子操作最佳实践

1. 使用 $inc 替代读改写

错误（非原子）：

const doc = await coll.findOne({ _id: 1 });
doc.count += 1;
await coll.updateOne({ _id: 1 }, { $set: { count: doc.count } });

正确（原子）：

await coll.updateOne({ _id: 1 }, { $inc: { count: 1 } });

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2. 结合查询条件防止超卖

db.seckill.updateOne(
  { 
    product_id: "p1", 
    stock: { $gt: 0 }  // 关键：库存 > 0
  },
  { $inc: { stock: -1 } }
)

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3. 数组操作使用 $addToSet / $pull

// 收藏文章
db.users.updateOne(
  { _id: userId },
  { $addToSet: { favorites: postId } }
)

// 取消收藏
db.users.updateOne(
  { _id: userId },
  { $pull: { favorites: postId } }
)

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六、性能对比

操作	方式	并发安全	性能
计数器	读改写	No	慢
计数器	$inc	Yes	快 10x
数组追加	读改写	No	慢
数组追加	$addToSet	Yes	快

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七、Node.js + Mongoose 原子操作

// 点赞
await Post.updateOne(
  { _id: postId },
  { 
    $inc: { likes: 1 },
    $addToSet: { likedBy: userId }
  }
);

// 库存扣减
const result = await Product.updateOne(
  { _id: productId, stock: { $gte: 1 } },
  { $inc: { stock: -1 } }
);

if (result.matchedCount === 0) {
  throw new Error("库存不足");
}

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八、常见误区

误区	正确做法
findOneAndUpdate 默认返回旧文档	加 { new: true }
使用 save() 修改计数器	改用 $inc
多字段更新分开写	合并为一次 updateOne
忽略查询条件	导致覆盖更新

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九、原子操作 Checklist

检查项	是否满足
使用 $ 操作符？	Yes
单文档操作？	Yes
有并发场景？	Yes
避免读改写？	Yes
结合查询条件？	Yes

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十、终极案例：秒杀系统

// 1. 原子扣库存
const result = await db.seckill.updateOne(
  {
    product_id: "iphone16",
    stock: { $gt: 0 },
    start_time: { $lte: now },
    end_time: { $gte: now }
  },
  {
    $inc: { stock: -1, sold: 1 },
    $set: { last_update: now }
  }
);

if (result.matchedCount === 0) {
  return { success: false, msg: "已售罄或未开始" };
}

// 2. 创建订单（可异步）
createOrder(userId, "iphone16");

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总结：原子操作黄金三原则

原则	说明
1. 单文档	原子性保证
2. 用 $ 操作符	字段级更新
3. 带查询条件	防止超卖/覆盖

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你现在可以：

// 一行实现并发安全的计数器
db.counters.updateOne({ _id: "visits" }, { $inc: { count: 1 } }, { upsert: true })

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把你的业务场景告诉我，我帮你写原子操作：

1. 操作类型（计数、库存、状态？）
2. 并发量（100 QPS？10k QPS？）
3. 失败策略（重试？排队？）

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