MySQL高级：（十六）主从复制

笔记来源：MySQL数据库教程天花板，mysql安装到mysql高级，强！硬！

16.1 概述

16.1.1 如何提升数据库并发能力

• 在实际工作中，我们常常将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。如果不存在再访问数据库，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“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；
  • 最后才是数据库采用主从架构，进行读写分离。

  

16.1.2 主从复制的作用

• 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“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。

• 数据备份：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。

• 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。

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择。

16.2 主从复制的原理

• Slave会从Master读取binlog来进行数据同步。

16.2.1 原理剖析

三个线程

• 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。
  

  • 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。

  

• 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

1. 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）;
2. Slave将Master的binary log events拷贝到它的中继日志（relay log）;
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。

16.2.2 主从复制的基本原则

• 每个Slave只有一个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

16.3 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:
  

16.3.1 准备工作

• 准备2台CentOS虚拟机

• 每台虚拟机上需要安装好MySQL（可以是MySQL8.0 ）

• 确保两台虚拟机的如下属性是不同的：

  • MAC地址
  • hostname
  • IP地址
  • UUID

• 确保两台虚拟机的MySQL Server的UUID是不同的：

  # 修改MySQL Server的UUID方式:
  vim /var / lib/mysql/auto.cnf
  systemctl restart mysqld
  1
  2
  3

16.3.2 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。

• 必选
  

• 可选
  

• 先搭建完主从复制，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
  • STATEMENT模式（基于SQL语句的复制(statement-based replication, SBR)）
    • 每一条会修改数据的sql语句会记录到binlog中，无需记录数据行的变化。这是默认的binlog格式。
    • 优点：
      • 不需要记录每一行的变化，减少了binlog日志量，文件较小
      • 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
    • 缺点：
      • 不是所有的UPDATE语句都能被复制
      • 带一下函数的语句也不可以被复制：LOAD_FILE()、UUID()、USER()、FOUND_ROWS()、SYSDATE()
  • ROW模式（基于行的复制(row-based replication, RBR)）
    • 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。
    • 优点：
      • 任何情况都可以被复制，不会受到存储函数等因素的影响，这对复制来说是最安全可靠的。
      • 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
      • 复制某些语句的行锁更少
    • 缺点：
      • binlog文件体积大
      • 对于批量操作的语句，binlog写入量很大，而SBR只会写一次
      • 可读性差
  • MIXED模式（混合模式复制(mixed-based replication, MBR)）
    • 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

16.3.3 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
  

• 可选
  

注意:主从机都关闭防火墙
service iptables stop #Centos 6
systemctl stop firewalld.service #CentoS 7

16.3.4 主机：建立账户并授权

• 主机MySQL执行授权主从复制的命令

  # 5.5,5.7
  GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'slave1'@'从机器数据库IP' IDENTIFIED BY 'abc123'; 
  1
  2

  # 8.0
  CREATE USER 'slave1'@'%' IDENTIFIED BY '123456';
  GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'slave1'@'%';
  # 此语句必须执行
  ALTER USER 'slave1'@'%' IDENTIFIED WITH mysql_native_password BY '123456 ';
  flush privileges;
  1
  2
  3
  4
  5
  6

• 查询Master的状态，并记录下File和Position的值。

  show master status;
  1

  

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。

16.3.5 从机：配置需要复制的主机

• 步骤一：从机复制主机数据的命令

  CHANGE MASTER TO
  MASTER_HOST='主机的IP地址',
  MASTER_USER='主机用户名',
  MASTER_PASSWORD='主机用户名的密码',
  MASTER_LOG_FILE='mysql-bin.具体数字',
  MASTER_LOG_POS=具体值;
  1
  2
  3
  4
  5
  6

• 步骤二：启动同步

  START SLAVE;
  1

  

  • 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。

  • 查看同步状态：

    SHOW SLAVE STATUS\G;
    1

    

  • 如果出现以下情况，则说明是配置不正确的。
    

• 配置失败可能的原因有：

  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

16.3.6 停止主从复制

• 停止主从同步命令:

  stop slave;
  1

• 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:

  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）
  1
  2

16.4 同步数据一致性问题

16.4.1 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）；

16.4.2 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。

16.4.3 主从延迟的原因

• 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:

  • 从库的机器性能比主库要差
  • 从库的压力大
  • 大事务的执行

• 举例：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，这可能就会让主从服务器延迟10分钟，因为主服务器执行完成之后从服务器才会开始执行。

• 解决延迟的方法：

  • 降低多线程大事务并发的概率，优化业务逻辑
  • 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。
  • 提高从库机器的配置，减少主库写binlog和从库读binlog的效率差。
  • 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。
  • 实时性要求的业务读强制走主库，从库只做灾备，备份。

16.4.4 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：

异步复制

• 异步模式就是客户端提交COMMIT之后不需要等从库更新，而是直接将主库的结果返回给客户端。这样做的好处是不会影响主库写的效率。坏处是如果主库宕机，而Binlog还没有同步到从库的，会造成主从数据不一致。这时候可以从从库中选择一个作为新主库，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。
  

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。

  

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。

• MRG工作原理：

  • 首先我们将多个节点共同组成一个复制组，在执行读写（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，Paxos算法提出来之后就作为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。

16.5 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。
    

• 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。

• 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。

• 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。

• kingshard由小团队用go语言开发，还需要发展，需要不断完善。

• 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。

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

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

• MySQLRoute是MySQL官方Oracle公司发布的中间件
  
  

• 主备切换