第18章_主从复制

程序员Leo

发布于 2023-08-07 21:08:50

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发布于 2023-08-07 21:08:50

文章被收录于专栏：Java知识点

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配套视频参考：MySQL 数据库天花板–康师傅

# 1. 主从复制概述

# 1.1 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。

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。

# 1.2 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 1 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 主库，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。

** 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从库上，相当于一种 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，保证服务的正常运行。

# 2. 主从复制的原理

Slave 会从 Master 读取 binlog 来进行数据同步。

# 2.1 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/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

步骤 1： Master 将写操作记录到二进制日志（ binlog ）。

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

# 2.2 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

# 3. 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:

# 3.1 准备工作

1、准备 2 台 CentOS 虚拟机（具体设置内容在 P192）

2、每台虚拟机上需要安装好 MySQL (可以是 MySQL8.0)

说明：前面我们讲过如何克隆一台 CentOS。大家可以在一台 CentOS 上安装好 MySQL，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：

Last_IO_Error: Fatal error: The slave I/O thread stops because master and slave have
equal MySQL server UUIDs; these UUIDs must be different for replication to work.

修改 MySQL Server 的 UUID 方式：

vim /var/lib/mysql/auto.cnf

systemctl restart mysqld

# 3.2 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/log/mysqlbin
log-bin=atguigu-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-ignore-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=atguigu_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：先搭建完主从复制，再创建数据库。 MySQL 主从复制起始时，从机不继承主机数据。

① binlog 格式设置：

格式 1： STATEMENT模式 （基于 SQL 语句的复制 (statement-based replication, SBR)）

binlog_format=STATEMENT

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

② ROW 模式（基于行的复制 (row-based replication, RBR)）

binlog_format=ROW

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

③ MIXED 模式（混合模式复制 (mixed-based replication, MBR)）

binlog_format=MIXED

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。

# 3.3 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

# 3.4 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 *.* TO 'slave1'@'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\G 时报错： Last_IO_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

注意：执行完此步骤后不要再操作主服务器 MySQL，防止主服务器状态值变化。

# 3.5 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='192.168.1.150',MASTER_USER='slave1',MASTER_PASSWORD='123456',MASTER_LOG_F
ILE='atguigu-bin.000007',MASTER_LOG_POS=154;

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。

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

接着，查看同步状态：

SHOW SLAVE STATUS\G;

上面两个参数都是 Yes，则说明主从配置成功！

显式如下的情况，就是不正确的。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

# 3.6 测试

主机新建库、新建表、insert 记录，从机复制：

CREATE DATABASE atguigu_master_slave;

CREATE TABLE mytbl(id INT,NAME VARCHAR(16));

INSERT INTO mytbl VALUES(1, 'zhang3');

INSERT INTO mytbl VALUES(2,@@hostname);

# 3.7 停止主从同步

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binglog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)

# 3.8 后续

搭建主从复制：双主双从

一个主机 m1 用于处理所有写请求，它的从机 s1 和另一台主机 m2 还有它的从机 s2 负责所有读请求。当 m1 主机宕机后，m2 主机负责写请求，m1、m2 互为备机。结构图如下：

# 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)；

# 4.1 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。

# 4.2 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：

1、从库的机器性能比主库要差

2、从库的压力大

3、大事务的执行

** 举例 1：** 一次性用 delete 语句删除太多数据

结论：后续再删除数据的时候，要控制每个事务删除的数据量，分成多次删除。

** 举例 2：** 一次性用 insert…select 插入太多数据

** 举例 3：** 大表 DDL

比如在主库对一张 500W 的表添加一个字段耗费了 10 分钟，那么从节点上也会耗费 10 分钟。

# 4.3 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。

# 4.4 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。

# 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

# 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。

# 5. 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。