MySQL 主从架构原理

MySQL 主从架构原理

一. 主从架构基本原理

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上图展示的是 MySQL 的主从切换流程。在 State-1 中，客户端的读写都直接访问节点 A，而节点 B 是 A 的备库，只是将 A 的更新都同步过来，到本地执行。这样可以保持节点 B 和 A 的数据是相同的。当需要切换的时候，就切成状态 2。这时候客户端读写访问的都是节点 B，而节点 A 是 B 的从库。

在主从架构下，建议把从库设置为 Read-Only 模式，这样做有以下几个考虑：

1. 有时候一些运营类的查询语句会被放到备库上去查，设置为只读可以防止误操作；
2. 防止切换逻辑有 bug，比如切换过程中出现双写，造成主备不一致；
3. 可以根据 Read-Only 状态，来判断节点的角色。

可以通过命令来查看当前 MySQL 实例的 Read-Only 状态：

show global variables like 'read_only';

开启当前实例的 Read-Only 状态：

set global read_only=1;

Read-Only 模式对超级权限用户 (super) 是无效的，而用于同步更新的线程，就拥有超级权限。因此，从库可以正常同步主库的数据。

二. 主从架构下的更新操作流程

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当 Master 收到一条客户端的更新操作后，其大致的执行流程如下：

1. Master Server将 undo log 写入内存。
2. Master Server更新内存中的数据页。
3. Master InnoDB 写入 redo log，并将redo log 置为 prepare 状态。
4. Master Server 写入 binlog 。Master 和 Slave 之间维持了一个长连接，且 Master 内部有一个线程专门用于服务这个长连接。Master 的 binlog 写入成功后，会由一个 dump_thread 线程将 binlog 导出并同步到 Slave。
5. Slave 收到 binlog 后，会将 binlog 写到本地文件，称为中转日志（relay log）。
6. Slave 内部有一个 sql_thread 线程，它会读取 relay log ，解析出日志里的命令并进行重放执行，这样就实现了主从数据同步。
7. Master 的 binlog 写入成功后，InnoDB 会提交 redo log。之后会给客户端 ACK，返回更新操作成功。
8. Master 内部有一个后台线程 bg_thread，它会定期将内存中的 undo log 写入磁盘，同时将内存脏页刷盘。

三. 关于 binlog

从上述主从同步的流程看，binlog 是至关重要的。实际上，MySQL 几乎所有的高可用架构，都直接依赖于 binlog。

binlog 有几种格式，可以通过命令查看：

show variables like '%binlog_format%';

1. statement 当 binlog_format=statement 时，binlog 里面记录的就是 SQL 语句的原文。由于 statement 格式下，记录到 binlog 里的是语句原文，因此可能会出现这样一种情况：在主库执行这条 SQL 语句的时候，用的是索引 a；而在备库执行这条 SQL 语句的时候，却使用了索引 b。**因此 statement 格式是有风险的，可能会造成主从数据不一致，对于数据一致性要求较高的场景并不适用。
2. row 当 binlog_format=row 时，binlog 会记录下每一行数据被修改的细节。这样就不会出现数据不一致的情况，但是会造成 binlog 日志量会很大，特别是当执行 alter table 之类的语句的时候，由于表结构修改，每条记录都发生改变，那么该表每一条记录都会记录到日志中。
3. mixed 由于 statement 格式有数据不一致的风险，而 row 格式会造成日志文件特别大，因此出现了 mixed 格式。mixed 格式的意思是，MySQL 自己会判断这条 SQL 语句是否可能引起主备不一致，如果有可能，就用 row 格式，否则就用 statement 格式。

四. 主从同步延迟

1. 主从延迟简介 正常情况下，只要主库执行更新生成的所有 binlog，都可以传到备库并被正确地执行，备库就能达到跟主库一致的状态，这就是最终一致性。但是，MySQL 要提供高可用能力，只有最终一致性是不够的，主从同步延迟是必须要考虑的问题。 在主从同步的过程中，有3个比较重要的时间点：
   1. Master 执行完成一个事务，写入 binlog，这个时刻记为 T1；
   2. Master 将 binlog 发送给 Slave ，Slave 接收完这个 binlog 的时刻记为 T2；
   3. Slave 执行完成这个事务，这个时刻记为 T3。

   所谓主从同步延迟，就是同一个事务，在备库执行完成的时间和主库执行完成的时间之间的差值，也就是上面的 T3-T1。 可以在 Slave 上执行 show slave status 命令，它的返回结果里面会显示 seconds_behind_master，用于表示当前 Slave 的数据延迟了多少秒。 需要说明的是，在网络正常的时候，日志从 Master 传给 Slave 所需的时间是很短的，即 T2-T1 的值是非常小的。也就是说，网络正常情况下，主从延迟的主要来源是 Slave 接收完 binlog 和执行完这个事务之间的时间差。 所以说，主从同步延迟最直接的表现是，Slave 消费中转日志（relay log）的速度，比 Master 生产 binlog 的速度要慢。下面我们来分析下，主从同步延迟的产生原因有哪些。

2. 产生主从延迟的原因
   1. Slave 所在的机器性能比 Master 差 在生产环境下，建议所以主库和从库都选用相同规格的机器，并且做对称部署，因为主备可能发生切换，Slave 随时可能切换成 Master。
   2. Slave 的查询压力过大 如果 Slave 承担了过多的查询、分析类请求，就可能耗费大量的 CPU 资源，影响数据同步速度，进而造成主从同步延迟。 针对这种情况，可以考虑采用一主多从架构，让多个从库来共同分担读请求的压力。
   3. 大事务 如果一个大事务在主库上执行了 10 分钟，那这个事务很可能就会导致主从延迟 10 分钟。因此应该尽量避免大事务操作，比如一次删除大量的数据，或者大表的 DDL 等。

   五. 主从切换策略 由于主从同步延迟的存在，所以在主从切换的时候，就相应的有不同的策略。

   1. 可靠性优先策略 具体步骤：
      1. 判断 Slave 当前的 seconds_behind_master，如果小于某个值（比如 5 秒）继续下一步，否则持续重试这一步；
      2. 把 Master 修改为只读状态，即把 Read-Only 设置为 true；
      3. 判断 Slave 的 seconds_behind_master 的值，直到这个值变成 0 为止；
      4. 把 Slave 改成可读写状态，也就是把 readonly 设置为 false；
      5. 把业务请求切到原来的 Slave (新 Master)。

      可以看到，这个切换流程中是有不可用时间的。因为在步骤 2 之后，Master 和 Slave 都处于 Read-Only 状态，也就是说这时系统处于不可写状态，直到步骤 5 完成后才能恢复。 在这个不可用状态中，比较耗费时间的是步骤 3，可能需要耗费好几秒的时间。这也是为什么需要在步骤 1 先做判断，确保 seconds_behind_master 的值足够小。 这种方式为了保证主从数据的一致性，导致数据库可能出现一段不可写的时间，称为可靠性优先策略。

   2. 可用性优先策略 如果强行把上面的步骤 4、5 调整到最开始执行，也就是说不等主从数据同步，直接把连接切到 Slave 上，并且让 Slave 可以读写，那么系统几乎就没有不可用时间了。这种策略就是可用性优先。而这个策略的代价，就是可能出现数据不一致的情况。

   可用性优先策略可能会导致数据不一致。因此，大多数情况下，都建议你使用可靠性优先策略。毕竟对数据服务来说的话，数据的可靠性一般还是要优于可用性的。