MySQL主从复制

Posted on 2022-05-06 Edited on 2024-07-22 In 数据库 , MySQL Views: Word count in article: 12k Reading time ≈ 11 mins.

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。

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。
- 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。
- 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。
  - 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。

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：

为了方便，这里使用docker部署mysql集群。

①创建主从MySQL的配置及数据文件的存储目录。

# 创建主服务的配置目录和数据目录
mkdir -p /usr/local/mysqlData/master/cnf
mkdir -p /usr/local/mysqlData/master/data
 
# 创建从服务器的配置目录和数据目录
mkdir -p /usr/local/mysqlData/slave/cnf
mkdir -p /usr/local/mysqlData/slave/data

②配置主服务器的配置文件。

1	vim /usr/local/mysqlData/master/cnf/mysql.cnf

[mysqld]
# [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=mysql-bin
# [可选]设置需要复制的数据库,默认全部记录。
binlog-do-db=master_slave
# binlog格式(mixed、statement、row,默认格式是statement)
binlog_format=statement
# 设置字符编码为utf8mb4
character-set-server = utf8mb4
collation-server = utf8mb4_unicode_ci
init_connect='SET NAMES utf8mb4'
[client]
default-character-set = utf8mb4
[mysql]
default-character-set = utf8mb4

③配置从服务器的配置文件。

1	vim /usr/local/mysqlData/slave/cnf/mysql.cnf

[mysqld]
# [必须]主服务器唯一ID
server-id=2
# [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=mysql-slave-bin
# [可选]启用中继日志
relay_log=mysql-relay
# 如果需要同步函数或者存储过程
log_bin_trust_function_creators=true
# binlog格式(mixed、statement、row,默认格式是statement)
binlog_format=statement
# 设置字符编码为utf8mb4
character-set-server = utf8mb4
collation-server = utf8mb4_unicode_ci
init_connect='SET NAMES utf8mb4'
slave_skip_errors=1062
[client]
default-character-set = utf8mb4
[mysql]
default-character-set = utf8mb4

④创建主从MySQL容器。

1
2
3

docker run -itd -p 3308:3306 --name mysql-master -v /usr/local/mysqlData/master/cnf:/etc/mysql/conf.d -v /usr/local/mysqlData/master/data:/var/lib/mysql -e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123456 mysql:8.0.25

docker run -itd -p 3309:3306 --name mysql-slaver -v /usr/local/mysqlData/slave/cnf:/etc/mysql/conf.d -v /usr/local/mysqlData/slave/data:/var/lib/mysql -e MYSQL_ROOT_PASSWORD=123456 mysql:8.0.25

⑤master创建mysql连接用户。

[root@k8s-node4 ~]# docker exec -it mysql-master env LANG=C.UTF-8 mysql -uroot -p123456
mysql: [Warning] Using a password on the command line interface can be insecure.
Welcome to the MySQL monitor.  Commands end with ; or \g.
Your MySQL connection id is 8
Server version: 8.0.25 MySQL Community Server - GPL

Copyright (c) 2000, 2021, Oracle and/or its affiliates.

Oracle is a registered trademark of Oracle Corporation and/or its
affiliates. Other names may be trademarks of their respective
owners.

Type 'help;' or '\h' for help. Type '\c' to clear the current input statement.

mysql> CREATE USER 'slave1'@'%' IDENTIFIED BY '123456';
Query OK, 0 rows affected (0.02 sec)

mysql> GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO 'slave1'@'%';
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> ALTER USER 'slave1'@'%' IDENTIFIED WITH mysql_native_password BY '123456';
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> flush privileges;
Query OK, 0 rows affected (0.01 sec)

mysql> show master status;
+------------------+----------+--------------+------------------+-------------------+
| File             | Position | Binlog_Do_DB | Binlog_Ignore_DB | Executed_Gtid_Set |
+------------------+----------+--------------+------------------+-------------------+
| mysql-bin.000003 |     1144 | master_slave |                  |                   |
+------------------+----------+--------------+------------------+-------------------+
1 row in set (0.00 sec)

⑤slaver连接master。

# 获取master实例的在docker的地址
[root@k8s-node4 ~]# docker inspect --format='{{.NetworkSettings.IPAddress}}' mysql-master
172.17.0.5

[root@k8s-node4 ~]# docker exec -it mysql-slaver env LANG=C.UTF-8 mysql -uroot -p123456
mysql: [Warning] Using a password on the command line interface can be insecure.
Welcome to the MySQL monitor.  Commands end with ; or \g.
Your MySQL connection id is 8
Server version: 8.0.25 MySQL Community Server - GPL

Copyright (c) 2000, 2021, Oracle and/or its affiliates.

Oracle is a registered trademark of Oracle Corporation and/or its
affiliates. Other names may be trademarks of their respective
owners.

Type 'help;' or '\h' for help. Type '\c' to clear the current input statement.

# 配置连接的参数
mysql> change master to master_host='172.17.0.5',master_user='slave1',master_password='123456',master_log_file='mysql-bin.000003',master_log_pos=1144;
Query OK, 0 rows affected, 8 warnings (0.06 sec)

# 启动同步
mysql> start slave;
Query OK, 0 rows affected, 1 warning (0.01 sec)

# 查看是否成功,Slave_IO_Running: Yes,Slave_SQL_Running: Yes即为成功
mysql> show slave status\G
*************************** 1. row ***************************
               Slave_IO_State: Waiting for master to send event
                  Master_Host: 172.17.0.5
                  Master_User: slave1
                  Master_Port: 3306
                Connect_Retry: 60
              Master_Log_File: mysql-bin.000003
          Read_Master_Log_Pos: 1144
               Relay_Log_File: mysql-relay.000002
                Relay_Log_Pos: 324
        Relay_Master_Log_File: mysql-bin.000003
             Slave_IO_Running: Yes
            Slave_SQL_Running: Yes
              Replicate_Do_DB: 
          Replicate_Ignore_DB: 
           Replicate_Do_Table: 
       Replicate_Ignore_Table: 
      Replicate_Wild_Do_Table: 
  Replicate_Wild_Ignore_Table: 
                   Last_Errno: 0
                   Last_Error: 
                 Skip_Counter: 0
          Exec_Master_Log_Pos: 1144
              Relay_Log_Space: 529
              Until_Condition: None
               Until_Log_File: 
                Until_Log_Pos: 0
           Master_SSL_Allowed: No
           Master_SSL_CA_File: 
           Master_SSL_CA_Path: 
              Master_SSL_Cert: 
            Master_SSL_Cipher: 
               Master_SSL_Key: 
        Seconds_Behind_Master: 0
Master_SSL_Verify_Server_Cert: No
                Last_IO_Errno: 0
                Last_IO_Error: 
               Last_SQL_Errno: 0
               Last_SQL_Error: 
  Replicate_Ignore_Server_Ids: 
             Master_Server_Id: 1
                  Master_UUID: 3c7ba9de-cc72-11ec-8147-0242ac110005
             Master_Info_File: mysql.slave_master_info
                    SQL_Delay: 0
          SQL_Remaining_Delay: NULL
      Slave_SQL_Running_State: Slave has read all relay log; waiting for more updates
           Master_Retry_Count: 86400
                  Master_Bind: 
      Last_IO_Error_Timestamp: 
     Last_SQL_Error_Timestamp: 
               Master_SSL_Crl: 
           Master_SSL_Crlpath: 
           Retrieved_Gtid_Set: 
            Executed_Gtid_Set: 
                Auto_Position: 0
         Replicate_Rewrite_DB: 
                 Channel_Name: 
           Master_TLS_Version: 
       Master_public_key_path: 
        Get_master_public_key: 0
            Network_Namespace: 
1 row in set, 1 warning (0.01 sec)

⑥测试主从复制。

1
2
3

# 操作master
mysql> create database master_slave;
Query OK, 1 row affected (0.02 sec)

# 查看到slaver成功同步了master创建的数据库
mysql> show databases;
+--------------------+
| Database           |
+--------------------+
| information_schema |
| master_slave       |
| mysql              |
| performance_schema |
| sys                |
+--------------------+
5 rows in set (0.00 sec)

3.1 binlog格式

binlog格式有三种，分别是mixed、statement、row，默认格式是statement。
- 格式1：STATEMENT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。
- 格式2：ROW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。
- 格式3：MIXED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。

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：
- 从库的机器性能比主库要差。
- 从库的压力大。
- 大事务的执行。

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。

4.4.1 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。

4.4.2 方法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C0MMT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。

4.4.3 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。
- ①Cobar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SQL请求50亿次以上。由于Coba发起人的离职，Cobarf停止维护。
- ②Mycat是开源社区在阿里cobara基础上进行二次开发，解决了cobari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。
- ④kingshard由小团队用go语言开发，还需要发展，需要不断完善。
- ⑤Vites：3是Youtubes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。