认真研究MySQL的主从复制

【1】主从复制概述

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的缓存结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。

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。

第一个作用：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库，负责写入数据，我们称之为：写库。其他都是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。

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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，保证服务器的正常运行。

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3652460*(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

① 原理剖析

核心关键词：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IO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。

② 复制三步骤

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）；

步骤2：Slave 将Master的binary log events 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总。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。

不过复制的最大问题是：延时。

③ 复制的基本原则

有三个需要注意事项：

• 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。

【3】主从架构的搭建

这部分参考博文Linux下搭建MySQL主从复制之一主一从架构 。

【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（不一定哦，根据业务来定）

① 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，这样就可能造成用户在从库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。

导致主从延迟的时间点主要包括以下三个：

• 主库A执行完成一个事务，写入binlog，我们把这个时刻记为T1；
• 之后传给从库B，我们把从库B接收完这个binlog的时刻记为T2；
• 从库B执行完成这个事务，我们把这个时刻记为T3。

② 如何减少主从延迟

• 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
• 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性走主库，从库只做灾备。

③ 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，可以对记录进行加写锁。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。

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rpl_semi_sync_master_wait_for_slave_cout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，其中一个中药的原因就是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。事实上，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。