詳解MySQL的半同步

前言

年后在進行騰訊二面的時候，寫完算法的后問的第一個問題就是，MySQL的半同步是什么？我當時直接懵了，我以為是問的MySQL的兩階段提交的問題呢？結(jié)果確認了一下后不是兩階段提交，然后面試官看我連問的是啥都不知道，就直接跳過這個問題，直接聊下一個問題了。所以這次總結(jié)一下這部分的知識內(nèi)容，文字內(nèi)容比較多，可能會有些枯燥，但對于這方面感興趣的人來說還是比較有意思的。

MySQL的主從復制

我們的一般在大規(guī)模的項目上，都是使用MySQL的復制功能來創(chuàng)建MySQL的主從集群的。主要是可以通過為服務器配置一個或多個備庫的方式來進行數(shù)據(jù)同步。復制的功能不僅有利于構(gòu)建高性能應用，同時也是高可用、可擴展性、災難恢復、備份以及數(shù)據(jù)倉庫等工作的基礎。

說的通俗一點，通過MySQL的主從復制來實現(xiàn)讀寫分離，相比單點數(shù)據(jù)庫又讀又寫來說，提升了業(yè)務系統(tǒng)性能，優(yōu)化了用戶體驗。另外通過主從復制實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的高可用，當主節(jié)點MySQL掛了的時候，可以用從庫來頂上。

MySQL支持的復制方式

MySQL支持三種復制方式：

• 基于語句的復制（也稱為邏輯復制）主要是指，在主數(shù)據(jù)庫上執(zhí)行的SQL語句，在從數(shù)據(jù)庫上會重復執(zhí)行一遍。MySQL默認采用的就是這種復制，效率比較高。但是也是有一定的問題的，如果SQL中使用uuid()、rand()等函數(shù)，那么復制到從庫的數(shù)據(jù)就會有偏差。
• 基于行的復制，指將更新處理后的數(shù)據(jù)復制到從數(shù)據(jù)庫，而不是執(zhí)行一邊語句。從MySQL5.1的版本才被支持。
• 混合復制，默認采用語句復制，當發(fā)現(xiàn)語句不能進行精準復制數(shù)據(jù)時（例如語句中含有uuid()、rand()等函數(shù)），采用基于行的復制。
  

主從復制原理

MySQL的復制原理概述上來講大體可以分為這三步

1. 在主庫上把數(shù)據(jù)更改，記錄到二進制日志（Binary Log）中。
2. 從庫將主庫上的日志復制到自己的中繼日志（Relay Log）中。
3. 備庫讀取中繼日志中的事件，將其重放到備庫數(shù)據(jù)之上。
   

主要過程如下圖：

下面來詳細說一下復制的這三步：

第一步：是在主庫上記錄二進制日志，首先主庫要開啟binlog日志記錄功能，并授權(quán)Slave從庫可以訪問的權(quán)限。這里需要注意的一點就是binlog的日志里的順序是按照事務提交的順序來記錄的而非每條語句的執(zhí)行順序。

第二步：從庫將binLog復制到其本地的RelayLog中。首先從庫會啟動一個工作線程，稱為I/O線程，I/O線程跟主庫建立一個普通的客戶端連接，然后主庫上啟動一個特殊的二進制轉(zhuǎn)儲（binlog dump）線程，此轉(zhuǎn)儲線程會讀取binlog中的事件。當追趕上主庫后，會進行休眠，直到主庫通知有新的更新語句時才繼續(xù)被喚醒。 這樣通過從庫上的I/O線程和主庫上的binlog dump線程，就將binlog數(shù)據(jù)傳輸?shù)綇膸焐系膔elaylog中了。

第三步：從庫中啟動一個SQL線程，從relaylog中讀取事件并在備庫中執(zhí)行，從而實現(xiàn)備庫數(shù)據(jù)的更新。

==這種復制架構(gòu)實現(xiàn)了獲取事件和重放事件的解耦，運行I/O線程能夠獨立于SQL線程之外工作。但是這種架構(gòu)也限制復制的過程，最重要的一點是在主庫上并發(fā)運行的查詢在備庫中只能串行化執(zhí)行，因為只有一個SQL線程來重放中繼日志中的事件。==

說到這個主從復制的串行化執(zhí)行的問題，我就想到了一個之前在工作中遇到的一個問題，就是有這么一個業(yè)務場景，我們有一個操作是初始化一批數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是從一個外部系統(tǒng)的接口中獲取的，然后我是通過線程池里的多個線程并行從外部系統(tǒng)的接口中獲取數(shù)據(jù)，每個線程獲取到數(shù)據(jù)后，直接插入到數(shù)據(jù)庫中。然后在數(shù)據(jù)全部入庫完成后，然后去執(zhí)行批量查詢，將剛插入到數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)查詢出來，放到ElasticSearch中。結(jié)果每次放入到ES中的數(shù)據(jù)總是不完整，后來研究了半天都不行，最終是讓查詢也走的主庫才解決的問題。當時不知道是MySQL主從復制的串行化從而導致的這個問題。

MySQL主從復制模式

MySQL的主從復制其實是支持，異步復制、半同步復制、GTID復制等多種復制模式的。

異步模式

MySQL的默認復制模式就是異步模式，主要是指MySQL的主服務器上的I/O線程，將數(shù)據(jù)寫到binlong中就直接返回給客戶端數(shù)據(jù)更新成功，不考慮數(shù)據(jù)是否傳輸?shù)綇姆掌?，以及是否寫入到relaylog中。在這種模式下，復制數(shù)據(jù)其實是有風險的，一旦數(shù)據(jù)只寫到了主庫的binlog中還沒來得急同步到從庫時，就會造成數(shù)據(jù)的丟失。

但是這種模式確也是效率最高的，因為變更數(shù)據(jù)的功能都只是在主庫中完成就可以了，從庫復制數(shù)據(jù)不會影響到主庫的寫數(shù)據(jù)操作。

上面我也說了，這種異步復制模式雖然效率高，但是數(shù)據(jù)丟失的風險很大，所以就有了后面要介紹的半同步復制模式。

半同步模式

MySQL從5.5版本開始通過以插件的形式開始支持半同步的主從復制模式。什么是半同步主從復制模式呢？ 這里通過對比的方式來說明一下：

• 異步復制模式：上面我們已經(jīng)介紹了，異步復制模式，主庫在執(zhí)行完客戶端提交的事務后，只要將執(zhí)行邏輯寫入到binlog后，就立即返回給客戶端，并不關(guān)心從庫是否執(zhí)行成功，這樣就會有一個隱患，就是在主庫執(zhí)行的binlog還沒同步到從庫時，主庫掛了，這個時候從庫就就會被強行提升為主庫，這個時候就有可能造成數(shù)據(jù)丟失。
• 同步復制模式：當主庫執(zhí)行完客戶端提交的事務后，需要等到所有從庫也都執(zhí)行完這一事務后，才返回給客戶端執(zhí)行成功。因為要等到所有從庫都執(zhí)行完，執(zhí)行過程中會被阻塞，等待返回結(jié)果，所以性能上會有很嚴重的影響。
• 半同步復制模式：半同步復制模式，可以說是介于異步和同步之間的一種復制模式，主庫在執(zhí)行完客戶端提交的事務后，要等待至少一個從庫接收到binlog并將數(shù)據(jù)寫入到relay log中才返回給客戶端成功結(jié)果。半同步復制模式，比異步模式提高了數(shù)據(jù)的可用性，但是也產(chǎn)生了一定的性能延遲，最少要一個TCP/IP連接的往返時間。
  

半同步復制模式，可以很明確的知道，在一個事務提交成功之后，此事務至少會存在于兩個地方一個是主庫一個是從庫中的某一個。主要原理是，在master的dump線程去通知從庫時，增加了一個ACK機制，也就是會確認從庫是否收到事務的標志碼，master的dump線程不但要發(fā)送binlog到從庫，還有負責接收slave的ACK。當出現(xiàn)異常時，Slave沒有ACK事務，那么將自動降級為異步復制，直到異常修復后再自動變?yōu)榘胪綇椭?/p>

MySQL半同步復制的流程如下：

半同步復制的隱患
半同步復制模式也存在一定的數(shù)據(jù)風險，當事務在主庫提交完后等待從庫ACK的過程中，如果Master宕機了，這個時候就會有兩種情況的問題。

• 事務還沒發(fā)送到Slave上：若事務還沒發(fā)送Slave上，客戶端在收到失敗結(jié)果后，會重新提交事務，因為重新提交的事務是在新的Master上執(zhí)行的，所以會執(zhí)行成功，后面若是之前的Master恢復后，會以Slave的身份加入到集群中，這個時候，之前的事務就會被執(zhí)行兩次，第一次是之前此臺機器作為Master的時候執(zhí)行的，第二次是做為Slave后從主庫中同步過來的。
• 事務已經(jīng)同步到Slave上：因為事務已經(jīng)同步到Slave了，所以當客戶端收到失敗結(jié)果后，再次提交事務，你那么此事務就會再當前Slave機器上執(zhí)行兩次。
  

為了解決上面的隱患，MySQL從5.7版本開始，增加了一種新的半同步方式。新的半同步方式的執(zhí)行過程是將“Storage Commit”這一步移動到了“Write Slave dump”后面。這樣保證了只有Slave的事務ACK后，才提交主庫事務。MySQL 5.7.2版本新增了一個參數(shù)來進行配置：rpl_semi_sync_master_wait_point，此參數(shù)有兩個值可配置：

• AFTER_SYNC：參數(shù)值為AFTER_SYNC時，代表采用的是新的半同步復制方式。
• AFTER_COMMIT：代表采用的是之前的舊方式的半同步復制模式。

MySQL從5.7.2版本開始，默認的半同步復制方式就是AFTER_SYNC方式了，但是方案不是萬能的，因為AFTER_SYNC方式是在事務同步到Slave后才提交主庫的事務的，若是當主庫等待Slave同步成功的過程中Master掛了，這個Master事務提交就失敗了，客戶端也收到了事務執(zhí)行失敗的結(jié)果了，但是Slave上已經(jīng)將binLog的內(nèi)容寫到Relay Log里了，這個時候，Slave數(shù)據(jù)就會多了，但是多了數(shù)據(jù)一般問題不算嚴重，多了總比少了好。MySQL，在沒辦法解決分布式數(shù)據(jù)一致性問題的情況下，它能保證的是不丟數(shù)據(jù)，多了數(shù)據(jù)總比丟數(shù)據(jù)要好。

這里說幾個的半同步復制模式的參數(shù)：

mysql> show variables like '%Rpl%';
+-------------------------------------------+------------+
| Variable_name                             | Value      |
+-------------------------------------------+------------+
| rpl_semi_sync_master_enabled              | ON         |
| rpl_semi_sync_master_timeout              | 10000      |
| rpl_semi_sync_master_trace_level          | 32         |
| rpl_semi_sync_master_wait_for_slave_count | 1          |
| rpl_semi_sync_master_wait_no_slave        | ON         |
| rpl_semi_sync_master_wait_point           | AFTER_SYNC |
| rpl_stop_slave_timeout                    | 31536000   |
+-------------------------------------------+------------+

-- 半同步復制模式開關(guān)
rpl_semi_sync_master_enabled
-- 半同步復制，超時時間，單位毫秒，當超過此時間后，自動切換為異步復制模式 
rpl_semi_sync_master_timeout
-- MySQL 5.7.3引入的，該變量設置主需要等待多少個slave應答，才能返回給客戶端，默認為1。
rpl_semi_sync_master_wait_for_slave_count
-- 此值代表當前集群中的slave數(shù)量是否還能夠滿足當前配置的半同步復制模式，默認為ON，當不滿足半同步復制模式后，全部Slave切換到異步復制，此值也會變?yōu)镺FF
rpl_semi_sync_master_wait_no_slave
-- 代表半同步復制提交事務的方式，5.7.2之后，默認為AFTER_SYNC
rpl_semi_sync_master_wait_point 

GTID模式

MySQL從5.6版本開始推出了GTID復制模式，GTID即全局事務ID (global transaction identifier)的簡稱，GTID是由UUID+TransactionId組成的，UUID是單個MySQL實例的唯一標識，在第一次啟動MySQL實例時會自動生成一個server_uuid, 并且默認寫入到數(shù)據(jù)目錄下的auto.cnf(mysql/data/auto.cnf)文件里。TransactionId是該MySQL上執(zhí)行事務的數(shù)量，隨著事務數(shù)量增加而遞增。這樣保證了GTID在一組復制中，全局唯一。

這樣通過GTID可以清晰的看到，當前事務是從哪個實例上提交的，提交的第多少個事務。

來看一個GTID的具體形式：

mysql> show master status;
+-----------+----------+--------------+------------------+-------------------------------------------+
| File      | Position | Binlog_Do_DB | Binlog_Ignore_DB | Executed_Gtid_Set                         |
+-----------+----------+--------------+------------------+-------------------------------------------+
| on.000003 |      187 |              |                  | 76147e28-8086-4f8c-9f98-1cf33d92978d:1-322|
+-----------+----------+--------------+------------------+-------------------------------------------+
1 row in set (0.00 sec)

GTID的工作原理

由于GTID在一組主從復制集群中的唯一性，從而保證了每個GTID的事務只在一個MySQL上執(zhí)行一次。 那么是怎么實現(xiàn)這種機制的呢？GTID的原理又是什么樣的呢？

當從服務器連接主服務器時，把自己執(zhí)行過的GTID（Executed_Gtid_Set: 即已經(jīng)執(zhí)行的事務編碼）以及獲取到GTID（Retrieved_Gtid_Set: 即從庫已經(jīng)接收到主庫的事務編號）都傳給主服務器。主服務器會從服務器缺少的GTID以及對應的transactionID都發(fā)送給從服務器，讓從服務器補全數(shù)據(jù)。當主服務器宕機時，會找出同步數(shù)據(jù)最成功的那臺conf服務器，直接將它提升為主服務器。若是強制要求某一臺不是同步最成功的一臺從服務器為主，會先通過change命令到最成功的那臺服務器，將GTID進行補全，然后再把強制要求的那臺機器提升為主。

主要數(shù)據(jù)同步機制可以分為這幾步：

• ==master更新數(shù)據(jù)時，在事務前生產(chǎn)GTID，一同記錄到binlog中。==
• ==slave端的i/o線程，將變更的binlog寫入到relay log中。==
• ==sql線程從relay log中獲取GTID，然后對比Slave端的binlog是否有記錄。==
• ==如果有記錄，說明該GTID的事務已經(jīng)執(zhí)行，slave會忽略該GTID。==
• ==如果沒有記錄，Slave會從relay log中執(zhí)行該GTID事務，并記錄到binlog。==
• ==在解析過程中，判斷是否有主鍵，如果沒有主鍵就使用二級索引，再沒有二級索引就掃描全表。==

初始結(jié)構(gòu)如下圖

通過上圖我們可以看出來，當Master掛掉后，Slave-1執(zhí)行完了Master的事務，Slave-2延時一些，所以沒有執(zhí)行完Master的事務，這個時候提升Slave-1為主，Slave-2連接了新主（Slave-1）后，將最新的GTID傳給新主，然后Slave-1就從這個GTID的下一個GTID開始發(fā)送事務給Slave-2。這種自我尋找復制位置的模式減少事務丟失的可能性以及故障恢復的時間。

GTID的優(yōu)劣勢

通過上面的分析我們可以得出GTID的優(yōu)勢是：

• ==每一個事務對應一個執(zhí)行ID，一個GTID在一個服務器上只會執(zhí)行一次;==
• ==GTID是用來代替?zhèn)鹘y(tǒng)復制的方法，GTID復制與普通復制模式的最大不同就是不需要指定二進制文件名和位置;==
• ==減少手工干預和降低服務故障時間，當主機掛了之后通過軟件從眾多的備機中提升一臺備機為主機;==

GTID的缺點也很明顯：

• ==首先不支持非事務的存儲引擎；==
• ==不支持create table ... select 語句復制(主庫直接報錯);(原理: 會生成兩個sql, 一個是DDL創(chuàng)建表SQL, 一個是insert into 插入數(shù)據(jù)的sql; 由于DDL會導致自動提交, 所以這個sql至少需要兩個GTID, 但是GTID模式下, 只能給這個sql生成一個GTID)==
• ==不允許一個SQL同時更新一個事務引擎表和非事務引擎表;==
• ==在一個MySQL復制群組中，要求全部開啟GTID或關(guān)閉GTID。==
• ==開啟GTID需要重啟 (mysql5.7除外);==
• ==開啟GTID后，就不再使用原來的傳統(tǒng)復制方式（不像半同步復制，半同步復制失敗后，可以降級到異步復制）;==
• ==對于create temporary table 和 drop temporary table語句不支持;==
• ==不支持sql_slave_skip_counter;==
  

其實GTID的這部分內(nèi)容挺多的，如果有想深入研究的可以去看看這篇文章。 最后說幾個開啟GTID的必備條件：

• MySQL 5.6 版本，在my.cnf文件中添加:

gtid_mode=on (必選)                    #開啟gtid功能
log_bin=log-bin=mysql-bin (必選)       #開啟binlog二進制日志功能
log-slave-updates=1 (必選)             #也可以將1寫為on
enforce-gtid-consistency=1 (必選)      #也可以將1寫為on

• MySQL 5.7或更高版本，在my.cnf文件中添加:

gtid_mode=on    (必選)
enforce-gtid-consistency=1  （必選）
log_bin=mysql-bin           （可選）    #高可用切換，最好開啟該功能
log-slave-updates=1     （可選）       #高可用切換，最好打開該功能

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