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 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：

強一致性（strong consistency）的意思是：你寫進去一筆資料，下一秒不管從哪台機器讀，讀到的一定是最新的值，不會出現「剛改完卻讀到舊資料」的情況。兩種模式都做得到。

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

💡 重點提點

模式一旦有資料寫進去就改不了，沒有「之後再轉」這回事——要轉只能開一個新資料庫重新匯入。所以建立時就要想清楚。新手記一句口訣就好：不確定就選 Native Mode，它涵蓋了即時同步、離線，幾乎所有新應用都用得到。

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

這裡的「文件名稱大小 6 KiB」指的是整段完整路徑（例如 users/user-001/orders/order-001）的上限，不要跟單一文件 ID（你自己取或自動生成的那一小段，上限 1,500 bytes）搞混。一般情況根本碰不到，路徑取名別太誇張就好。

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()

背後怎麼運作不用太在意——你只要知道：用戶端「訂閱」了某筆資料或某個查詢之後，只要結果有變動，Firestore 就會主動把新資料推過來，你不用自己一直去輪詢（polling）。

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

複合索引（composite index）就是把「好幾個欄位綁在一起」建的索引。當你的查詢同時用到多個欄位（例如又篩 age、又排序 name），單欄位索引不夠用，就得手動建一個複合索引：

# 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

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？

Firestore Editions

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")

💡 重點提點

只有預設資料庫（名稱固定是 (default)）享有每日免費層額度。你後來自己建的那些 Named Database（像上面的 analytics-db）一律不享免費額度，從第一次讀寫就開始計費。新手最容易在這裡踩坑——以為「反正都在免費層內」，結果帳單冒出一筆莫名其妙的費用。練習、學習階段，盡量把東西放在 (default) 就好。

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）

超過免費層（美國區域）

Firestore vs Cloud SQL vs Bigtable

ACE 考試最常考的 NoSQL 選型題：

選型公式

ACE 考試重點整理

必背知識點

1. Firestore 有兩種模式：Native（推薦）和 Datastore，只有空資料庫能切換
2. 文件大小上限 1 MiB，子集合深度上限 100 層
3. 即時監聽是 Native Mode 獨有功能
4. 安全規則用於 Mobile/Web，IAM 用於伺服器端
5. 免費層：50K 讀取/天、20K 寫入/天
6. 多資料庫支援：同一專案可建立多個資料庫
7. 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 10 MB 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

說到底，Firestore 就是那種「不想煩 schema、要即時同步、手機還能離線」時最順手的選擇。考試上你只要記牢幾件事就夠用：新專案一律 Native Mode、只有空庫能換模式、即時監聽是 Native 獨有、Mobile/Web 用 Security Rules 而 Server 端用 IAM，還有那個最會吃帳單的坑——免費額度只認 (default) 這個預設資料庫。

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

📖 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。