GCP-112：Firestore 入門——NoSQL 文件資料庫完全指南

前言

應用需要一個不用管 schema、能即時同步、手機還能離線用的資料庫嗎？這種情境，Firestore 很適合。

這是 GCP 核心服務系列的第 7 課，我們來把 Firestore 的核心概念和實際操作搞懂。

什麼是 Firestore？

Firestore 是 GCP 的 NoSQL 文件資料庫（Document Database），資料以 JSON-like 文件形式儲存：

Firestore 資料庫
  └── 集合（Collection）: users
        ├── 文件（Document）: user-001
        │     ├── name: "Bobo"
        │     ├── email: "bobo@example.com"
        │     └── 子集合（Subcollection）: orders
        │           ├── 文件: order-001
        │           └── 文件: order-002
        └── 文件（Document）: user-002
              └── name: "Alice"

Firestore 是 Cloud Datastore 的下一代。原本的 Datastore 已經不是獨立產品了，現在改以 Firestore in Datastore mode 的形式繼續活著。

Native Mode vs Datastore Mode

建立 Firestore 資料庫時，你必須選擇模式：

特性	Native Mode	Datastore Mode
API	Firestore API	Datastore API
即時同步	支援	不支援
離線支援	支援（Mobile/Web SDK）	不支援
強一致性	全面強一致性	全面強一致性
適合場景	Mobile/Web 應用	伺服器端應用
App Engine 整合	需要手動設定	原生整合

能切換嗎？

只有資料庫是空的時候才能切換模式。一旦寫進去任何資料，模式就鎖死了。

建議

新專案一律選 Native Mode——功能更完整
只有既有 Datastore 應用才需要用 Datastore Mode

資料模型核心概念

文件（Document）

文件是 Firestore 的基本單位，類似 JSON 物件：

# Python 範例：新增文件
from google.cloud import firestore

db = firestore.Client()

# 自動生成 ID
doc_ref = db.collection("users").document()
doc_ref.set({
    "name": "Bobo",
    "email": "bobo@example.com",
    "age": 30,
    "tags": ["gcp", "cloud"],
    "address": {
        "city": "Taipei",
        "country": "Taiwan"
    }
})

# 指定 ID
db.collection("users").document("user-001").set({
    "name": "Alice"
})

重要限制

項目	限制
文件大小上限	1 MiB（1,048,576 bytes）
欄位值大小上限	1 MiB - 89 bytes
子集合巢狀深度	100 層
文件名稱大小	6 KiB
Map/Array 巢狀深度	20 層

集合（Collection）

集合是放文件的容器，不用事先建好。寫進第一個文件時它自動冒出來，刪掉最後一個文件時又自動消失。

子集合（Subcollection）

文件可以包含子集合，用來建立層級關係：

# 在 user-001 下建立 orders 子集合
db.collection("users").document("user-001") \
  .collection("orders").document("order-001").set({
    "item": "Cloud certification",
    "amount": 200
})

CRUD 操作

讀取

# 讀取單一文件
doc = db.collection("users").document("user-001").get()
if doc.exists:
    print(doc.to_dict())

# 查詢
query = db.collection("users") \
    .where("age", ">=", 25) \
    .where("tags", "array_contains", "gcp") \
    .order_by("age") \
    .limit(10)

for doc in query.stream():
    print(f"{doc.id}: {doc.to_dict()}")

更新

# 更新特定欄位（不影響其他欄位）
db.collection("users").document("user-001").update({
    "age": 31,
    "address.city": "Kaohsiung"  # 更新巢狀欄位
})

刪除

# 刪除文件
db.collection("users").document("user-001").delete()

# 刪除特定欄位
db.collection("users").document("user-001").update({
    "age": firestore.DELETE_FIELD
})

批次與交易

# 批次寫入（現已無 500 筆上限，改受單次提交約 10 MiB 大小限制；舊版曾限制 500 筆）
batch = db.batch()
for i in range(100):
    ref = db.collection("items").document(f"item-{i}")
    batch.set(ref, {"value": i})
batch.commit()

# 交易（讀取 + 寫入的原子操作）
@firestore.transactional
def transfer(transaction, from_ref, to_ref, amount):
    from_doc = from_ref.get(transaction=transaction)
    to_doc = to_ref.get(transaction=transaction)

    from_balance = from_doc.get("balance") - amount
    to_balance = to_doc.get("balance") + amount

    transaction.update(from_ref, {"balance": from_balance})
    transaction.update(to_ref, {"balance": to_balance})

transaction = db.transaction()
transfer(transaction,
         db.collection("accounts").document("A"),
         db.collection("accounts").document("B"),
         100)

即時監聽（Real-time Listeners）

Native Mode 的獨家功能——資料變更時自動推送通知：

# 監聽單一文件
def on_snapshot(doc_snapshot, changes, read_time):
    for doc in doc_snapshot:
        print(f"Changed: {doc.to_dict()}")

doc_ref = db.collection("users").document("user-001")
doc_watch = doc_ref.on_snapshot(on_snapshot)

# 監聽查詢結果
query_ref = db.collection("users").where("age", ">=", 25)
query_watch = query_ref.on_snapshot(on_snapshot)

# 停止監聽
doc_watch.unsubscribe()

即時監聽的運作原理

Firestore 的 changelog 伺服器會記錄所有資料變更。寫入流量一變大，changelog 就自動水平擴展到多台伺服器。用戶端連上之後，Firestore 會把符合查詢條件的變更主動推給它。

索引設計

自動索引

Firestore 會幫每個欄位自動建好單欄位索引，基本的等式和範圍查詢都罩得住。

複合索引

多欄位查詢需要手動建立複合索引：

# 這個查詢需要複合索引：(age ASC, name ASC)
query = db.collection("users") \
    .where("age", ">=", 25) \
    .order_by("age") \
    .order_by("name")

# 建立複合索引
gcloud firestore indexes composite create \
  --collection-group=users \
  --field-config=field-path=age,order=ascending \
  --field-config=field-path=name,order=ascending

索引限制

項目	限制
複合索引數量（無帳單）	200
複合索引數量（有帳單）	1,000
單一文件的索引項目數	40,000
複合索引最大欄位數	100

安全規則 vs IAM

安全規則（Security Rules）

用於 Mobile/Web 用戶端的存取控制：

// firestore.rules
rules_version = '2';
service cloud.firestore {
  match /databases/{database}/documents {
    // 用戶只能讀寫自己的資料
    match /users/{userId} {
      allow read, write: if request.auth != null
                         && request.auth.uid == userId;
    }

    // 公開讀取，只有管理員能寫入
    match /posts/{postId} {
      allow read: if true;
      allow write: if request.auth.token.admin == true;
    }
  }
}

IAM

用於伺服器端的存取控制：

# 授予 Service Account Firestore 讀寫權限
gcloud projects add-iam-policy-binding my-project \
  --member="serviceAccount:my-sa@my-project.iam.gserviceaccount.com" \
  --role="roles/datastore.user"

何時用哪個？

Mobile/Web App（直接從用戶端存取）→ Security Rules ✅
Server-side App（後端 API 伺服器）→ IAM ✅

Firestore Editions

特性	Standard	Enterprise
基本 CRUD	支援	支援
即時同步	支援	支援
備份	標準備份	標準備份
PITR（時間點還原）	7 天	7 天
向量搜尋	不支援	支援
全文搜尋	不支援	支援
MongoDB 相容	不支援	支援

多資料庫支援

Firestore 支援在同一個專案中建立多個資料庫（Named Databases）：

# 建立額外的資料庫
gcloud firestore databases create \
  --database=analytics-db \
  --location=asia-east1 \
  --type=firestore-native

# 連線到特定資料庫
db = firestore.Client(database="analytics-db")

只有預設資料庫（(default)）享有免費層額度。

TTL（自動過期刪除）

Firestore TTL 讓你指定欄位作為過期時間，文件到期後自動刪除：

# 設定 TTL 欄位
gcloud firestore fields ttls update expiresAt \
  --collection-group=sessions \
  --enable-ttl

from datetime import datetime, timedelta

# 建立 30 天後自動過期的文件
db.collection("sessions").add({
    "userId": "user-001",
    "expiresAt": datetime.now() + timedelta(days=30)
})

定價與免費層

免費層（每天，僅限預設資料庫）

項目	免費額度
文件讀取	50,000 次/天
文件寫入	20,000 次/天
文件刪除	20,000 次/天
儲存空間	1 GiB
對外流量	10 GiB/月

超過免費層（美國區域）

項目	費用
文件讀取	$0.03 / 100,000 次
文件寫入	$0.09 / 100,000 次
文件刪除	$0.01 / 100,000 次
儲存空間	$0.15 / GiB / 月

Firestore vs Cloud SQL vs Bigtable

ACE 考試最常考的 NoSQL 選型題：

特性	Firestore	Cloud SQL	Bigtable
類型	文件型 NoSQL	關聯式 SQL	寬列型 NoSQL
資料模型	JSON 文件	表格（Row/Column）	Key-Value 寬列
查詢語言	Firestore Query	SQL	Row Key Scan
擴展性	自動水平擴展	垂直擴展 + 讀取複本	自動水平擴展
單筆大小	1 MiB	依欄位定義	10 MB/cell、100 MB/row
免費層	50K 讀/天	無	無
最適合	Mobile/Web App	交易型系統	時序/IoT/分析

選型公式

Mobile/Web App，需要即時同步和離線？
  → Firestore ✅

需要 SQL JOIN、ACID 交易、嚴格 schema？
  → Cloud SQL ✅

TB/PB 級時序資料、IoT 感測器、分析用？
  → Bigtable ✅

ACE 考試重點整理

必背知識點

Firestore 有兩種模式：Native（推薦）和 Datastore，只有空資料庫能切換
文件大小上限 1 MiB，子集合深度上限 100 層
即時監聽是 Native Mode 獨有功能
安全規則用於 Mobile/Web，IAM 用於伺服器端
免費層：50K 讀取/天、20K 寫入/天
多資料庫支援：同一專案可建立多個資料庫
自動索引：單欄位自動建索引，多欄位需手動建複合索引

常見陷阱題

Q：Firestore 和 Datastore 是兩個不同的產品嗎？ A：不是。Datastore 已經併入 Firestore，以 Firestore in Datastore mode 的形式存在。新專案請選 Native Mode。

Q：Firestore 適合儲存 10MB 的檔案嗎？ A：不適合。文件大小上限 1 MiB。大型檔案應存在 Cloud Storage，Firestore 只存 metadata 和 GCS 路徑。

Q：Mobile App 直接存取 Firestore，要用 IAM 還是 Security Rules？ A：Security Rules。IAM 用於伺服器端，Security Rules 才能做到用戶級別的存取控制。

Q：需要即時同步資料給多個用戶端，用什麼服務？ A：**Firestore（Native Mode）**的即時監聽功能。

總結

Firestore 是 GCP 裡最靈活的 NoSQL 資料庫，重點整理一下：

兩種模式：Native（推薦）vs Datastore，只有空庫能切換
資料模型：集合 → 文件 → 子集合，文件上限 1 MiB
即時監聽：Native Mode 獨有，資料變更自動推送
安全控制：Mobile/Web 用 Security Rules，Server 用 IAM
免費層：50K 讀取/天、20K 寫入/天、1 GiB 儲存
選型：Mobile App → Firestore；SQL → Cloud SQL；大數據 → Bigtable

下一課 GCP-113：Bigtable 深度解析，來看 Google 那套 PB 級的寬列型 NoSQL 資料庫。

資料庫選型系列

課程	服務	適合場景
GCP-108	Cloud SQL	中小型 OLTP、傳統 SQL 應用
本課 GCP-112	Firestore	Mobile/Web App、即時同步
GCP-113	Bigtable	PB 級 IoT/時序、低延遲高吞吐
ACE-211	BigQuery	PB 級分析、BI 報表
ACE-213	Spanner	全球規模 OLTP、強一致性
GCP-115	Memorystore	微秒級快取、Session 管理

📖 完整比較：想一次看懂所有資料庫差異？參考 GCP 資料庫選型完全指南。

GCP 核心服務 — 7/10 完成查看系列全覽 →

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