主从复制概述

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。

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。

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

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。

是具有高可用性

数据备份实际上是一种冗余的机制，通过这种几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。

主从复制的原理

slave 会从 Master 读取 binlog 来进行数据同步。

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/0 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：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

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

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:

准备工作

1.准备2台 Centos 虚拟机

2.每台虚拟机上需要安装好MySQL(可以是MySQL8.0)

说明：前面我们进过如何克降一台Centos。大家可以在一台Centos上安装好MySOL，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:

修改MySQL Server的UUID方式：

vim /var/lib/mysql/auto.cnf

systemctl restart mysqld

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]启用二进制日志,指名路径。比如: 自己本地的路径/var/lib/mysql/binlog
  log-bin=/var/lib/mysql/binlog/doudou-bin
  

• 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-ighore-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=doudou_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：

1. 先搭建完主从复制，再创建数据库。
2. MySQL主从复制起始时，从机不继承主机数据。

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
  

重启后台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

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 *.* TOslave1'@'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 '123456';

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 '123456';

flush privileges;

注意:在从机执行show slave status时报错:

Last_l0_Error: error connecting to master 'slave1@192.168.1.150:3306' - retry-time: 60 retries: 1 message:
Authentication plugin 'caching sha2-password' reported error: Authentication requires secure connection.

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

从机:配置需要复制的主机

步骤1:从机上复制主机的命令

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;

举例:

CHANGE MASTER TO
MASTER_HOST='192.168.109.26',
MASTER_USER='slave1',
MASTER_PASSWORD='123456',
MASTER_LOG_FILE='doudou-bin.000005',
MASTER_LOG_POS=1137;

步骤2:

#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。

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

查看同步状态：

SHOW SLAVE STATUS\G

可能错误的原因有:

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

停止主从复制

• 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：

stop slave;
reset master;	#删除Master中所有的binlog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）

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);

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。

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:

• 从库的机器性能比主库要差
• 从库的压力大
• 大事务的执行

一般而言，我们最好这样做:

• 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。

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 之后不需要等从库返回何结果，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。

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。

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 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SOL请求50亿次以上。由于cobar发起人的离职，Cobar停止维护。

②Mycat 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。

③OneProxy 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

⑤Vitess 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。

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

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

⑧MySQLRoute 是MySQL官方Oracle公司发布的中间件

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