C-18.主从复制

1.主从复制概述

1.1 如何提升数据库并发能力

在实际工作中，我们常常将<code>Redis作为缓存与MySQL配合来使用，当有请求的时候，首先会从缓存中进行查找，如果存在就直接取出。如果不存在再方法数据库，这样就提升了读取的效率，也减少了对后端数据库的访问压力。Redis的缓存架构是高并发架构中非常重要的一环。

此外，一般应用对数据库而言都是“<code>读多写少”，也就说对数据库读取数据的压力比较大，有一个思路就是采用数据库集群的方案，做主从架构、进行读写分离，这样同样可以提升数据库的并发处理能力。但并不是所有的应用都需要对数据库进行主从架构的设置，毕竟设置架构本身是有成本的。

如果我们的目的在于提升数据库高并发访问的效率，那么首先考虑的是如何优化SQL和索引，这种方式简单有效；其次才是采用缓存的策略，比如使用Redis将热点数据保存在内存数据库中，提升读取的效率最后才是对数据库采用主从架构，进行读写分离。

按照上面的方式进行优化，使用和维护的成本是由低到高的。

1.2 主从复制的作用

主从同步设计不仅可以提高数据库的吞吐量，还有以下3个方面的作用。

第1个作用：读写分离。我们可以通过主从复制的方式来同步数据，然后通过读写分离提高数据库并发处理能力。

其中一个是Master主库，负责写入数据，我们称之为:写库。

其它都是slave从库，负责读取数据，我们称之为:读库。

当主库进行更新的时候，会自动将数据复制到从库中，而我们在客户端读取数据的时候，会从从库中进行读取。

面对“<code>读多写少”的需求，采用读写分离的方式，可以实现更高的并发访问。同时，我们还能对从服务器进行负载均衡，让不同的读请求按照策略均匀地分发到不同的从服务器上，让读取更加顺畅。读取顺畅的另一个原因，就是减少了锁表的影响，比如我们让主库负责写，当主库出现写锁的时候，不会影响到从库进行SELECT的读取。

第2个作用就是数据备份。我们通过主从复制将主库上的数据复制到了从库上，相当于是一种热备份机制，也就是在主库正常运行的情况下进行的备份，不会影响到服务。

第3个作用是具有高可用性。数据备份实际上是一种冗余的机制，通过这种冗余的方式可以换取数据库的高可用性，也就是当服务器出现故障或宕机的情况下，可以切换到从服务器上，保证服务的正常运行。

关于高可用性的程度，我们可以用一个指标衡量，即正常可用时间/全年时间。比如要达到全年99.999%的时间都可用，就意味着系统在一年中的不可用时间不得超过365*24*60+ (1-99.999%)=5.256分钟（含系统崩溃的时间、日常维护操作导致的停机时间等)，其他时间都需要保持可用的状态。

实际上，更高的高可用性，意味着需要付出更高的成本代价。在现实中我们需要结合业务需求和成本来进行选择。

2.主从复制的原理

Slave会从Master读取binlog来进行数据同步。

2.1 原理剖析

实际上主从同步的原理就是基于binlog 进行数据同步的。在主从复制过程中，会基于3个线程来操作，一个主库线程，两个从库线程。

<code>二进制日志转储线程（Binlog dump thread）是一个主库线程。当从库线程连接的时候，主库可以将二进制日志发送给从库，当主库读取事件（Event）的时候，会在Binlog上加锁，读取完成之后，再将锁释放掉。

从库I/O线程会连接到主库，向主库发送请求更新Binlog。这时从库的I/O线程就可以读取到主库的二进制日志转储线程，发送的Binlog 更新部分，并且拷贝到本地的中继日志(Relay log)。

从库SQL线程会读取从库中的中继日志，并且执行日志中的事件，将从库中的数据与主库保持同步。

注意：

不是所有版本的MySQL都默认开启服务器的二进制日志。在进行主从同步的时候，我们需要先检查服务器是否已经开启了二进制日志。

除非特殊指定，默认情况下从服务器会执行所有主服务器中保存的事件。也可以通过配置，使从服务器执行特定的事件。

复制三步骤

步骤1: <code>Master将写操作记录到二进制日志（binlog)。这些记录叫做二进制日志事件(binary log events);

步骤2: Slave将Master的binary log everkts拷贝到它的中继日志(relay log) ;

步骤3: Slave重做中继日志中的事件，将改变应用到自己的数据库中。MySQL复制是异步的且串行化的，而且重启后从接入点开始复制。

复制的问题

复制的最大问题：延时。

2.2 复制的基本原则

• 每个Slave只能有一个Master。
• 每个Slave只能有一个唯一的服务器ID。
• 每个Master可以有多个Slave。

3.一主一从架构搭建

一台主机用于处理所有写请求，一台从机负责所有读请求，架构图如下：

3.1 准备工作

1、准备<code>2台CentOS虚拟机

2、每台虚拟机上需要安装好MySQL(可以是8.0.x)

说明：前面我们讲过如何克隆一台CentOS。大家可以在一台CentOS上安装好MySQL，进而通过克隆的方式复制出1台包含MySQL的虚拟机。

注意：克隆的方式需要修改新克隆出来主机的：① MAC地址 ② hostname ③ IP 地址 ④ UUID 。

此外，克隆的方式生成的虚拟机（包含MySQL Server），则克隆的虚拟机MySQL Server的UUID相同，必须修改，否则在有些场景会报错。比如： show slave status\G ，报如下的错误：

Last_IO_Error: Fatal error: The slave I/O thread stops because master and slave have equal MySQL server UUIDs; these UUIDs must be different for replication to work.

修改MySQL Server 的UUID方式：

vim /var/lib/mysql/auto.cnf#修改uuid

systemctl restart mysqld#重新启动MySQL服务

3.2 主机配置文件

建议mysql版本一致且后台以服务运行，主从所有配置项都配置在[mysqld]节点下，且都是小写字母。

具体参数配置如下：

• 必选

#[必须]主服务器唯一ID

server-id=1

#[必须]启动二进制日志，指明路径，比如 '/var/lib/mysql/'

log-bin=binlog

• 可选

#[可选] 0（默认）表示读写（主机），1表示只读（从机）

read-only=0

#设置日志文件保留的时长，单位是秒

binlog_expire_logs_seconds=6000

#控制单个二进制日志大小。此参数的最大和默认值是1GB

max_binlog_size=200M

#[可选]设置不要复制的数据库

binlog-ignore-db=test

#[可选]设置需要复制的数据库,默认全部记录。比如：binlog-do-db=atguigu_master_slave

binlog-do-db=需要复制的主数据库名字

#[可选]设置binlog格式

binlog_format=STATEMENT

重启后台mysql服务，使配置生效

注意：

先创建完主从复制，再创建数据库。

MySQL主从复制起始时，从机不继承主机数据。

binlog格式设置：

①STATEMENT模式（基于SQL语句的复制(statement-based replication, SBR)）

binlog_format=STATEMENT

每一条会修改数据的sql语句会记录到binlog中。这是默认的binlog格式。

• SBR 的优点：
  • 历史悠久，技术成熟
  • 不需要记录每一行的变化，减少了binlog日志量，文件较小
  • binlog中包含了所有数据库更改信息，可以据此来审核数据库的安全等情况
  • binlog可以用于实时的还原，而不仅仅用于复制
  • 主从版本可以不一样，从服务器版本可以比主服务器版本高
• SBR 的缺点：
  • 不是所有的UPDATE语句都能被复制，尤其是包含不确定操作的时候
• 使用以下函数的语句也无法被复制：LOAD_FILE()、UUID()、USER()、FOUND_ROWS()、SYSDATE() (除非启动时启用了 --sysdate-is-now 选项)
  • INSERT ... SELECT 会产生比 RBR 更多的行级锁
  • 复制需要进行全表扫描(WHERE 语句中没有使用到索引)的 UPDATE 时，需要比 RBR 请求更多的行级锁
  • 对于有 AUTO_INCREMENT 字段的 InnoDB表而言，INSERT 语句会阻塞其他 INSERT 语句
  • 对于一些复杂的语句，在从服务器上的耗资源情况会更严重，而 RBR 模式下，只会对那个发生变化的记录产生影响
  • 执行复杂语句如果出错的话，会消耗更多资源
  • 数据表必须几乎和主服务器保持一致才行，否则可能会导致复制出错

②ROW模式（基于行的复制(row-based replication，RBR)）

binlog_format=ROW

5.1.5版本的MySQL才开始支持，不记录每条sql语句的上下文信息，仅记录哪条数据被修改了，修改成什么样了。

• RBR 的优点：

  • 任何情况都可以被复制，这对复制来说是最安全可靠的。（比如：不会出现某些特定情况下的存储过程、function、trigger的调用和触发无法被正确复制的问题）

  • 多数情况下，从服务器上的表如果有主键的话，复制就会快了很多

  • 复制以下几种语句时的行锁更少：INSERT ... SELECT、包含 AUTO_INCREMENT 字段的 INSERT、没有附带条件或者并没有修改很多记录的 UPDATE 或 DELETE 语句

  • 执行 INSERT，UPDATE，DELETE 语句时锁更少

  • 从服务器上采用多线程来执行复制成为可能

• RBR 的缺点：

  • binlog 大了很多

  • 复杂的回滚时 binlog 中会包含大量的数据

  • 主服务器上执行 UPDATE 语句时，所有发生变化的记录都会写到 binlog 中，而 SBR 只会写一次，这会导致频繁发生 binlog 的并发写问题

  • 无法从 binlog 中看到都复制了些什么语句

③MIXED模式（混合模式复制(mixed-based replication，MBR)）

binlog_format=MIXED

从5.1.8版本开始，MySQL提供了Mixed格式，实际上就是Statement与Row的结合。

在Mixed模式下，一般的语句修改使用statment格式保存binlog。如一些函数，statement无法完成主从复制的操作，则采用row格式保存binlog。

MySQL会根据执行的每一条具体的sql语句来区分对待记录的日志形式，也就是在Statement和Row之间选择一种。

3.3 从机配置文件

要求主从所有配置项都配置在my.cnf的[mysqld]栏位下，且都是小写字母。

• 必选

#[必须]从服务器唯一ID

server-id=2

• 可选

#[可选]启用中继日志

relay-log=mysql-relay

重启MySQL服务，使配置生效

注意：主从机都关闭防火墙

service iptables stop #CentOS 6

systemctl stop firewalld.service #CentOS 7

3.4 主机：建立账户并授权

#在主机MySQL里执行授权主从复制的命令

GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'slave1'@'从机器数据库IP' IDENTIFIED BY 'abc123';

#5.5,5.7

注意：如果使用的是MySQL8，需要如下的方式建立账户，并授权slave：

CREATE USER 'slave1'@'%' IDENTIFIED BY 'ming6688';

GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'slave1'@'%';

#此语句必须执行。否则见下面。

ALTER USER 'slave1'@'%' IDENTIFIED WITH mysql_native_password BY 'ming6688';

flush privileges;

查询Master的状态，并记录下File和Position的值。

show master status;

• 记录下File和Position的值

注意：执行完此步骤后不要再操作主服务器MySQL，防止主服务器状态值变化。

3.5 从机：配置需要复制的主机

步骤1：从机上复制主机的命令

<code>CHANGE MASTER TO

MASTER_HOST='主机的IP地址',code>

MASTER_USER='主机用户名',code>

MASTER_PASSWORD='主机用户名的密码',code>

MASTER_LOG_FILE='mysql-bin.具体数字',code>

MASTER_LOG_POS=具体值;

举例：

CHANGE MASTER TO

MASTER_HOST='192.168.200.132',code>

MASTER_USER='slave1',code>

MASTER_PASSWORD='ming6688',code>

MASTER_LOG_FILE='binlog.000067',code>

MASTER_LOG_POS=2058;

步骤2：

<code>#启动slave同步

START SLAVE;

如果报错：

可以执行如下操作，删除之前的relay_log信息。然后重新执行 CHANGE MASTER TO ...语句即可。

<code>mysql> reset slave; #删除SLAVE数据库的relaylog日志文件，并重新启用新的relaylog文件

接着，查看同步状态

SHOW SLAVE STATUS\G;

上面两个参数都是Yes，则说明主从配置成功！

显示如下的情况，就是不正确的。可能错误的原因有

<code>1. 网络不通

2. 账户密码错误

3. 防火墙

4. mysql配置文件问题

5. 连接服务器时语法

6. 主服务器mysql权限

3.6 测试

主机新建库、新建表、insert记录，从机复制：

CREATE DATABASE test_master_slave;

CREATE TABLE mytbl(id INT,NAME VARCHAR(16));

INSERT INTO mytbl VALUES(1, 'zhang3');

INSERT INTO mytbl VALUES(2,@@hostname);

3.7 停止主从同步

• 停止主从同步命令

stop slave;

• 如何重新配置主从

如果停止从服务器复制功能，再使用需要重新配置主从。否则会报错如下：

重新配置主从，需要在从机上执行

<code>stop slave;

reset master;#删除Master中所有的binglog文件，并将日志索引文件清空，重新开始所有新的日志文件(慎用)

3.8 后续

搭建主从复制：双主双从

4.同步数据一致性问题

主从同步的要求：

• 读库和写库的数据一致(最终一致)；
• 写数据必须写到写库；
• 读数据必须到读库(不一定)；

4.1 理解主从延迟问题

进行主从同步的内容是二进制日志，它是一个文件，在进行<code>网络传输的过程中就一定会存在主从延迟（比如 500ms），这样就可能造成用户在从库上读取的数据不是最新的数据，也就是主从同步中的数据不一致性问题。

4.2 主从延迟问题原因

在网络正常的时候，日志从主库传给从库所需的时间是很短的，即T2-T1的值是非常小的。即，网络正常情况下，主备延迟的主要来源是备库接收完binlog和执行完这个事务之间的时间差。

主备延迟最直接的表现是，从库消费中继日志（relay log）的速度，比主库生产binlog的速度要慢。

造成原因：

1、从库的机器性能比主库要差

2、从库的压力大

3、大事务的执行

举例1：一次性用delete语句删除太多数据

结论：后续再删除数据的时候，要控制每个事务删除的数据量，分成多次删除。

举例2：一次性用insert...select插入太多数据

举例3：大表DDL

比如在主库对一张500W的表添加一个字段耗费了10分钟，那么从节点上也会耗费10分钟。

4.3 如何减少主从延迟

若想要减少主从延迟的时间，可以采取下面的办法：

1. 降低多线程大事务并发的概率，优化业务逻辑
2. 优化SQL，避免慢SQL，减少批量操作，建议写脚本以update-sleep这样的形式完成。
3. 提高从库机器的配置，减少主库写binlog和从库读binlog的效率差。
4. 尽量采用短的链路，也就是主库和从库服务器的距离尽量要短，提升端口带宽，减少binlog传输的网络延时。
5. 实时性要求的业务读强制走主库，从库只做灾备，备份

4.4 如何解决一致性问题

如果操作的数据存储在同一个数据库中，那么对数据进行更新的时候，可以对记录加写锁，这样在读取的时候就不会发生数据不一致的情况。但这时从库的作用就是备份，并没有起到读写分离，分担主库读压力的作用。

读写分离情况下，解决主从同步中数据不一致的问题， 就是解决主从之间<code>数据复制方式的问题，如果按照数据一致性从弱到强来进行划分，有以下 3 种复制方式。

方法1：异步复制

异步模式就是客户端提交COMMIT之后不需要等从库返回任何结果，而是直接将结果返回给客户端，这样做的好处是不会影响主库写的效率，但可能会存在主库宕机，而Binlog还没有同步到从库的情况，也就是此时的主库和从库数据不一致。这时候从从库中选择一个作为新主，那么新主则可能缺少原来主服务器中已提交的事务。所以，这种复制模式下的数据一致性是最弱的。

方法2：半同步复制

MySQL5.5版本之后开始支持半同步复制的方式。原理是在客户端提交COMMIT之后不直接将结果返回给客户端，而是等待至少有一个从库接收到了Binlog，并且写入到中继日志中，再返回给客户端。

这样做的好处就是提高了数据的一致性，当然相比于异步复制来说，至少多增加了一个网络连接的延迟，降低了主库写的效率。

在MySQL5.7版本中还增加了一个<code>rpl_semi_sync_master_wait_for_slave_count参数，可以对应答的从库数量进行设置，默认为1，也就是说只要有1个从库进行了响应，就可以返回给客户端。如果将这个参数调大，可以提升数据一致性的强度，但也会增加主库等待从库响应的时间。

方法3：组复制

异步复制和半同步复制都无法最终保证数据的一致性问题，半同步复制是通过判断从库响应的个数来决定是否返回给客户端，虽然数据一致性相比于异步复制有提升，但仍然无法满足对数据一致性要求高的场景，比如金融领域。MGR 很好地弥补了这两种复制模式的不足。

组复制技术，简称 MGR（MySQL Group Replication）。是 MySQL 在 5.7.17 版本中推出的一种新的数据复制技术，这种复制技术是基于 Paxos 协议的状态机复制。

MGR 是如何工作的

首先我们将多个节点共同组成一个复制组，在<code>执行读写（RW）事务的时候，需要通过一致性协议层（Consensus 层）的同意，也就是读写事务想要进行提交，必须要经过组里“大多数人”（对应 Node 节点）的同意，大多数指的是同意的节点数量需要大于 （N/2+1），这样才可以进行提交，而不是原发起方一个说了算。而针对只读（RO）事务则不需要经过组内同意，直接 COMMIT 即可。

在一个复制组内有多个节点组成，它们各自维护了自己的数据副本，并且在一致性协议层实现了原子消息和全局有序消息，从而保证组内数据的一致性。

MGR 将 MySQL 带入了数据强一致性的时代，是一个划时代的创新，其中一个重要的原因就是MGR 是基于 Paxos 协议的。Paxos 算法是由 2013 年的图灵奖获得者 Leslie Lamport 于 1990 年提出的，有关这个算法的决策机制可以搜一下。事实上，Paxos 算法提出来之后就作为<code>分布式一致性算法被广泛应用，比如Apache 的 ZooKeeper 也是基于 Paxos 实现的。

5.知识延伸

在主从架构的配置中，如果想要采取读写分离的策略，我们可以 自己编写程序 ，也可以通过第三方的中间件来实现。

• 自己编写程序的好处就在于比较自主，我们可以自己判断哪些查询在从库上来执行，针对实时性要求高的需求，我们还可以考虑哪些查询可以在主库上执行。同时，程序直接连接数据库，减少了中间件层，相当于减少了性能损耗。
• 采用中间件的方法有很明显的优势，功能强大，使用简单。但因为在客户端和数据库之间增加了中间件层会有一些性能损耗，同时商业中间件也是有使用成本的。我们也可以考虑采取一些优秀的开源工具。

  

  ① <code>Cobar属于阿里B2B事业群，始于2008年，在阿里服役3年多，接管3000+个MySQL数据库的schema,集群日处理在线SQL请求50亿次以上。由于Cobar发起人的离职，Cobar停止维护。

② Mycat是开源社区在阿里cobar基础上进行二次开发，解决了cobar存在的问题，并且加入了许多新的功能在其中。青出于蓝而胜于蓝。

③ OneProxy基于MySQL官方的proxy思想利用c语言进行开发的，OneProxy是一款商业收费的中间件。舍弃了一些功能，专注在性能和稳定性上。

④ kingshard由小团队用go语言开发，还需要发展，需要不断完善。

⑤ Vitess是Youtube生产在使用，架构很复杂。不支持MySQL原生协议，使用`需要大量改造成本。

⑥ Atlas是360团队基于mysql proxy改写，功能还需完善，高并发下不稳定。

⑦ MaxScale是mariadb（MySQL原作者维护的一个版本） 研发的中间件

⑧ MySQLRoute是MySQL官方Oracle公司发布的中间件

只是为了记录自己的学习历程，且本人水平有限，不对之处，请指正。