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。

1、读写分离，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。

2、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。

3、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。

主从复制的原理

Slave会从Master读取binlog来进行数据同步。

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。

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：

Master将写操作记录到二进制日志（ binlog ）。
Slave将Master的binary log events拷贝到它的中继日志（ relay log ）；
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。

主从架构搭建

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：

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。

master

在master的配置文件（/usr/my.cnf）中，配置如下内容：

#【必选】mysql 服务ID，保证整个集群环境中唯一
server-id=1

#【必选】mysql binlog 日志的存储路径和文件名
log-bin=/var/lib/mysql/mysqlbin

#错误日志，默认已经开启
#log-err

#mysql的安装目录
#basedir

#mysql的临时目录
#temdir

#mysql的数据存放目录
#datadir

#是否只读，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（1024M）
max_binlog_size=200M

#忽略的数据，指不需要同步的数据库
binlog-ignore-db=test

#设置需要复制的数据库,默认全部记录。比如：binlog-do-db=coydone_master_slave
binlog-do-db=需要复制的主数据库名字

#设置binlog格式：STATEMENT、ROW、MIXED
binlog_format=STATEMENT

binlog格式设置

①STATEMENT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。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）：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）：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。

执行完毕之后，需要重启MySQL：

service mysql restart;

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

创建同步数据的账户，并且进行授权操作：

grant replication slave on *.* to 'coydone'@'192.168.192.131' identified by 'coydone'; --192.168.192.131为从机IP
flush privileges;

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;

查看master状态：

show master status;

字段含义：

File：从哪个日志文件开始推送日志文件。
Position：从哪个位置开始推送日志。
Binlog_Ignore_DB：指定不需要同步的数据库。

slave

在slave端配置文件中，配置如下内容：

# [必须]从服务器唯一ID
server-id=2

# [可选]启用中继日志
relay-log=mysql-relay

#指定binlog日志
#log-bin=/var/lib/mysql/mysqlbin

执行完成之后，需要重启MySQL：

service mysql restart;

执行如下指令：

change master to msater_host = '192.168.192.130',master_user='coydone',master_password='coydone', master_log_file='mysqlbin.000001',master_log_pos=413; 
#192.168.192.130为主机IP

指定当前从库对应的主库IP地址，用户名，密码，从哪个日志文件开始的哪个位置开始同步推送日志。

# 开启同步操作
start slave;
show slave status;

# 停止同步操作
stop slave;

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）。

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。

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：

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。

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。

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_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。

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。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。

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MySQL主从复制