MongoDB ShardingとReplica Set運用ガイド：クラスター設計からトラブルシューティングまで

# Sharded Cluster 基本構成（最小構成）
#
# Client
#   |
#   v
# mongos (Router) x 2  -- ロードバランサーの背後に配置
#   |
#   v
# Config Server Replica Set (3 nodes)
#   |
#   +--- Shard 1 Replica Set (Primary + 2 Secondary)
#   +--- Shard 2 Replica Set (Primary + 2 Secondary)
#   +--- Shard 3 Replica Set (Primary + 2 Secondary)
#
# 合計ノード数: 2 (mongos) + 3 (config) + 9 (shard) = 14

// mongosに接続してShard追加
sh.addShard('shard1/mongo-shard1-a:27018,mongo-shard1-b:27018,mongo-shard1-c:27018')
sh.addShard('shard2/mongo-shard2-a:27018,mongo-shard2-b:27018,mongo-shard2-c:27018')
sh.addShard('shard3/mongo-shard3-a:27018,mongo-shard3-b:27018,mongo-shard3-c:27018')

// データベースのShardingを有効化
sh.enableSharding('myapp')

// コレクションにShard Keyを指定（Hashed）
sh.shardCollection('myapp.orders', { customerId: 'hashed' })

// コレクションにShard Keyを指定（Ranged）
sh.shardCollection('myapp.logs', { timestamp: 1 })

// クラスター状態確認
sh.status()

// 1. Hashed Shard Key - 均等分配が最優先の場合
sh.shardCollection('myapp.users', { _id: 'hashed' })

// 2. Compound Shard Key - カーディナリティとクエリパターンの同時充足
sh.shardCollection('myapp.events', { tenantId: 1, createdAt: 1 })

// 3. Zone Sharding - 地域別データ分離
sh.addShardToZone('shard1', 'JP')
sh.addShardToZone('shard2', 'US')
sh.addShardToZone('shard3', 'EU')

sh.updateZoneKeyRange(
  'myapp.users',
  { region: 'JP', _id: MinKey },
  { region: 'JP', _id: MaxKey },
  'JP'
)
sh.updateZoneKeyRange(
  'myapp.users',
  { region: 'US', _id: MinKey },
  { region: 'US', _id: MaxKey },
  'US'
)

// 4. MongoDB 8.0+ resharding - Shard Key変更が必要な場合
sh.reshardCollection('myapp.orders', { customerId: 1, orderId: 1 })

// PrimaryでReplica Set初期化
rs.initiate({
  _id: 'shard1',
  members: [
    { _id: 0, host: 'mongo-shard1-a:27018', priority: 10 },
    { _id: 1, host: 'mongo-shard1-b:27018', priority: 5 },
    { _id: 2, host: 'mongo-shard1-c:27018', priority: 1 },
  ],
  settings: {
    electionTimeoutMillis: 10000, // デフォルト10秒
    heartbeatTimeoutSecs: 10, // ハートビートタイムアウト
    chainingAllowed: true, // Secondary間チェイニング許可
  },
})

// Replica Set状態確認
rs.status()

// レプリケーション遅延確認
rs.printReplicationInfo()
rs.printSecondaryReplicationInfo()

// 手動フェイルオーバー実行（メンテナンス時）
rs.stepDown(60) // 60秒間Primary役割を放棄

// 特定メンバーをPrimaryに昇格させるためpriority調整
cfg = rs.conf()
cfg.members[1].priority = 100
rs.reconfig(cfg)

// Hiddenメンバー設定（バックアップ専用）
cfg = rs.conf()
cfg.members[2].hidden = true
cfg.members[2].priority = 0
rs.reconfig(cfg)

// Delayedメンバー設定（データ復旧用、1時間遅延）
cfg = rs.conf()
cfg.members[2].secondaryDelaySecs = 3600
cfg.members[2].hidden = true
cfg.members[2].priority = 0
rs.reconfig(cfg)

// バランサー状態確認
sh.getBalancerState()
sh.isBalancerRunning()

// バランサー停止/開始
sh.stopBalancer()
sh.startBalancer()

// バランサー時間ウィンドウ設定（深夜2-6時のみ動作）
db.adminCommand({
  balancerStart: 1,
  condition: {
    activeWindow: { start: '02:00', stop: '06:00' },
  },
})

// 特定コレクションのバランシング無効化
sh.disableBalancing('myapp.orders')

// チャンク手動移動
sh.moveChunk('myapp.orders', { customerId: 'user123' }, 'shard3')

// 現在のマイグレーション状態確認
db.adminCommand({ currentOp: true, desc: /migrate/ })

// チャンクサイズ変更（デフォルト128MB、MongoDB 7.0+）
use config
db.settings.updateOne(
  { _id: "chunksize" },
  { $set: { value: 64 } },
  { upsert: true }
)

// ジャンボチャンク確認
db.chunks.find({ jumbo: true }).forEach(function(chunk) {
  print("Jumbo chunk: " + chunk.ns + " on " + chunk.shard)
})

// ジャンボチャンク強制分割試行
sh.splitAt("myapp.orders", { customerId: "splitPoint" })

// チャンク分布確認
db.chunks.aggregate([
  { $group: { _id: "$shard", count: { $sum: 1 } } },
  { $sort: { count: -1 } }
])

// 読み取り/書き込みConcern設定例

// 1. コレクションレベルでRead Preference設定
db.orders.find({ status: 'pending' }).readPref('secondaryPreferred')

// 2. 接続文字列での設定
// mongodb://mongos1:27017,mongos2:27017/myapp?readPreference=secondaryPreferred&w=majority

// 3. Write Concern指定
db.orders.insertOne(
  { customerId: 'user123', amount: 50000 },
  { writeConcern: { w: 'majority', j: true, wtimeout: 5000 } }
)

// 4. グローバルデフォルトRead/Write Concern設定
db.adminCommand({
  setDefaultRWConcern: 1,
  defaultWriteConcern: { w: 'majority', j: true },
  defaultReadConcern: { level: 'majority' },
})

// 1. シャード別データ分布確認
db.orders.getShardDistribution()

// 2. 長時間実行中のオペレーション確認
db.currentOp({ secs_running: { $gt: 10 } })

// 3. スロークエリプロファイリング有効化
db.setProfilingLevel(1, { slowms: 100 })

// 4. スロークエリ分析
db.system.profile
  .find({
    millis: { $gt: 100 },
    ns: /myapp\.orders/,
  })
  .sort({ ts: -1 })
  .limit(10)

// 5. サーバー状態確認
db.serverStatus().opcounters // オペレーションカウンター
db.serverStatus().connections // 接続数
db.serverStatus().wiredTiger.cache // キャッシュ状態

// 6. Replica Setレプリケーション遅延確認
db.adminCommand({ replSetGetStatus: 1 }).members.forEach(function (m) {
  if (m.stateStr === 'SECONDARY') {
    var lag = (new Date() - m.optimeDate) / 1000
    print(m.name + ' lag: ' + lag + 's')
  }
})

// 7. インデックス使用統計
db.orders.aggregate([{ $indexStats: {} }])

// 8. Config Serverメタデータ整合性検証（MongoDB 7.0+）
db.adminCommand({ checkMetadataConsistency: 1 })

# 1. バックアップ前にバランサー停止（シャードクラスター）
mongosh --host mongos1:27017 --eval "sh.stopBalancer()"

# 2. 個別シャードバックアップ（--oplogでポイントインタイム一貫性確保）
mongodump --host shard1/mongo-shard1-a:27018 \
  --oplog --out /backup/shard1-$(date +%Y%m%d)

mongodump --host shard2/mongo-shard2-a:27018 \
  --oplog --out /backup/shard2-$(date +%Y%m%d)

# 3. Config Serverバックアップ
mongodump --host configRS/config1:27019 \
  --oplog --out /backup/config-$(date +%Y%m%d)

# 4. バランサー再開
mongosh --host mongos1:27017 --eval "sh.startBalancer()"

# 5. リストア（--oplogReplayでポイントインタイム復旧）
mongorestore --host shard1/mongo-shard1-a:27018 \
  --oplogReplay /backup/shard1-20260313

// Oplogサイズと保持時間確認
db.getReplicationInfo()
// 出力例:
// configured oplog size:   2048MB
// log length start to end: 172800secs (48hrs)
// oplog first event time:  ...
// oplog last event time:   ...

// Oplogサイズ変更（最低48時間以上の保持を推奨）
db.adminCommand({ replSetResizeOplog: 1, size: 4096 }) // 4GB

// _secondaryThrottle有効化でレプリケーション同期を保証
use config
db.settings.updateOne(
  { _id: "balancer" },
  { $set: { "_secondaryThrottle": { w: 2 } } },
  { upsert: true }
)

// rangeDeleterバッチサイズ縮小
db.adminCommand({
  setParameter: 1,
  rangeDeleterBatchSize: 32,
  rangeDeleterBatchDelayMS: 100
})