MySQL高级系列（四）—— MySQL集群架构

最新推荐文章于 2025-03-20 20:15:46 发布

cyd_0619

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分类专栏： mysql 文章标签： mysql sql 数据库

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/cyd_0619/article/details/114578729

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第1节集群架构设计

1.1 架构设计理念

在集群架构设计时，主要遵从下面三个维度：

可用性
扩展性
一致性

1.2 可用性设计

站点高可用，冗余站点
服务高可用，冗余服务
数据高可用，冗余数据

保证高可用的方法是冗余。但是数据冗余带来的问题是数据一致性问题。

实现高可用的方案有以下几种架构模式：

主从模式
简单灵活，能满足多种需求。比较主流的用法，但是写操作高可用需要自行处理。
双主模式
互为主从，有双主双写、双主单写两种方式，建议使用双主单写

1.3 扩展性设计

扩展性主要围绕着读操作扩展和写操作扩展展开。

如何扩展以提高读性能
- 加从库
  简单易操作，方案成熟。
  从库过多会引发主库性能损耗。建议不要作为长期的扩充方案，应该设法用良好的设计避免持续加从库来缓解读性能问题。
- 分库分表
  可以分为垂直拆分和水平拆分，垂直拆分可以缓解部分压力，水平拆分理论上可以无限扩展。
如何扩展以提高写性能
分库分表

1.4 一致性设计

一致性主要考虑集群中各数据库数据同步以及同步延迟问题。可以采用的方案如下：

不使用从库
扩展读性能问题需要单独考虑，否则容易出现系统瓶颈。
增加访问路由层
可以先得到主从同步最长时间t，在数据发生修改后的t时间内，先访问主库。

第2节主从模式

2.1 适用场景

MySQL主从模式是指数据可以从一个MySQL数据库服务器主节点复制到一个或多个从节点。MySQL 默认采用异步复制方式，这样从节点不用一直访问主服务器来更新自己的数据，从节点可以复制主数据库中的所有数据库，或者特定的数据库，或者特定的表。
在这里插入图片描述
mysql主从复制用途：

实时灾备，用于故障切换（高可用）
读写分离，提供查询服务（读扩展）
数据备份，避免影响业务（高可用）

主从部署必要条件：

从库服务器能连通主库
主库开启binlog日志（设置log-bin参数）
主从server-id不同

2.2 实现原理

2.2.1 主从复制

下图是主从复制的原理图。
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主从复制整体分为以下三个步骤：

主库将数据库的变更操作记录到Binlog日志文件中
从库读取主库中的Binlog日志文件信息写入到从库的Relay Log中继日志中
从库读取Relay log中继日志信息在从库中进行Replay，更新从库数据信息

在上述三个过程中，涉及了Master的BinlogDump Thread和Slave的I/O Thread、SQL Thread，它们的作用如下：

Master服务器对数据库更改操作记录在Binlog中，BinlogDump Thread接到写入请求后，读取Binlog信息推送给Slave的I/O Thread。
Slave的I/O Thread将读取到的Binlog信息写入到本地Relay Log中。
Slave的SQL Thread检测到Relay Log的变更请求，解析Relay log中内容在从库上执行。

上述过程都是异步操作，俗称异步复制，存在数据延迟现象。

下图是异步复制的时序图。
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mysql主从复制存在的问题：

主库宕机后，数据可能丢失
从库只有一个SQL Thread，主库写压力大，复制很可能延时

解决方法：

半同步复制 - - - 解决数据丢失的问题
并行复制 - - - 解决从库复制延迟的问题

2.2.2 半同步复制

为了提升数据安全，MySQL让Master在某一个时间点等待Slave节点的 ACK（Acknowledge character）消息，接收到ACK消息后才进行事务提交，这也是半同步复制的基础，MySQL从5.5版本开始引入了半同步复制机制来降低数据丢失的概率。

介绍半同步复制之前先快速过一下 MySQL 事务写入碰到主从复制时的完整过程，主库事务写入分为 4个步骤：

InnoDB Redo File Write (Prepare Write)
Binlog File Flush & Sync to Binlog File
InnoDB Redo File Commit（Commit Write）
Send Binlog to Slave

当Master不需要关注Slave是否接受到Binlog Event时，即为传统的主从复制。

当Master需要在第三步等待Slave返回ACK时，即为 after-commit，半同步复制（MySQL 5.5引入）。

当Master需要在第二步等待 Slave 返回 ACK 时，即为 after-sync，增强半同步（MySQL 5.7引入）。

下图是 MySQL 官方对于半同步复制的时序图，主库等待从库写入 relay log 并返回 ACK 后才进行Engine Commit。
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2.2.3 并行复制

MySQL的主从复制延迟一直是受开发者最为关注的问题之一，MySQL从5.6版本开始追加了并行复制功能，目的就是为了改善复制延迟问题，并行复制称为enhanced multi-threaded slave（简称MTS）。

在从库中有两个线程IO Thread和SQL Thread，都是单线程模式工作，因此有了延迟问题，我们可以采用多线程机制来加强，减少从库复制延迟。（IO Thread多线程意义不大，主要指的是SQL Thread多线程）

在MySQL的5.6、5.7、8.0版本上，都是基于上述SQL Thread多线程思想，不断优化，减少复制延迟。

2.2.3.1 MySQL 5.6 并行复制原理

MySQL 5.6版本也支持所谓的并行复制，但是其并行只是基于库的。如果用户的MySQL数据库中是多个库，对于从库复制的速度的确可以有比较大的帮助。
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基于库的并行复制，实现相对简单，使用也相对简单些。基于库的并行复制遇到单库多表使用场景就发挥不出优势了，另外对事务并行处理的执行顺序也是个大问题。

2.2.3.2 MySQL 5.7 并行复制原理

MySQL 5.7是基于组提交的并行复制，MySQL 5.7才可称为真正的并行复制，这其中最为主要的原因就是slave服务器的回放与master服务器是一致的，即master服务器上是怎么并行执行的slave上就怎样进行并行回放。不再有库的并行复制限制。

MySQL 5.7中组提交的并行复制究竟是如何实现的？

MySQL 5.7是通过对事务进行分组，当事务提交时，它们将在单个操作中写入到二进制日志中。如果多个事务能同时提交成功，那么它们意味着没有冲突，因此可以在Slave上并行执行，所以通过在主库上的二进制日志中添加组提交信息。

MySQL 5.7的并行复制基于一个前提，即所有已经处于prepare阶段的事务，都是可以并行提交的。这些当然也可以在从库中并行提交，因为处理这个阶段的事务都是没有冲突的。在一个组里提交的事务，一定不会修改同一行。这是一种新的并行复制思路，完全摆脱了原来一直致力于为了防止冲突而做的分发算法，等待策略等复杂的而又效率底下的工作。

InnoDB事务提交采用的是两阶段提交模式。一个阶段是prepare，另一个是commit。

为了兼容MySQL 5.6基于库的并行复制，5.7引入了新的变量slave-parallel-type，其可以配置的值有：DATABASE（默认值，基于库的并行复制方式）、LOGICAL_CLOCK（基于组提交的并行复制方式）。

那么如何知道事务是否在同一组中，生成的Binlog内容如何告诉Slave哪些事务是可以并行复制的？

在MySQL 5.7版本中，其设计方式是将组提交的信息存放在GTID中。为了避免用户没有开启GTID功能（gtid_mode=OFF），MySQL 5.7又引入了称之为Anonymous_Gtid的二进制日志event类型
ANONYMOUS_GTID_LOG_EVENT。

通过mysqlbinlog工具分析binlog日志，就可以发现组提交的内部信息。

在这里插入图片描述
可以发现MySQL 5.7二进制日志较之原来的二进制日志内容多了last_committed和sequence_number，last_committed表示事务提交的时候，上次事务提交的编号，如果事务具有相同的last_committed，表示这些事务都在一组内，可以进行并行的回放。

2.2.3.3 MySQL 8.0 并行复制

MySQL8.0 是基于write-set的并行复制。MySQL会有一个集合变量来存储事务修改的记录信息（主键哈希值），所有已经提交的事务所修改的主键值经过hash后都会与那个变量的集合进行对比，来判断该行是否与其冲突，并以此来确定依赖关系，没有冲突即可并行。这样的粒度，就到了row级别了，此时并行的粒度更加精细，并行的速度会更快。

2.2.3.4 并行复制配置与调优

binlog_transaction_dependency_history_size
用于控制集合变量的大小。
binlog_transaction_depandency_tracking
用于控制binlog文件中事务之间的依赖关系，即last_committed值。
- COMMIT_ORDERE: 基于组提交机制
- WRITESET: 基于写集合机制
- WRITESET_SESSION: 基于写集合，比writeset多了一个约束，同一个session中的事务last_committed按先后顺序递增
transaction_write_set_extraction
用于控制事务的检测算法，参数值为：OFF、 XXHASH64、MURMUR32
master_info_repository
开启MTS功能后，务必将参数master_info_repostitory设置为TABLE，这样性能可以