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MySQL高级篇之第18章 主从复制

本文主要是介绍MySQL高级篇之第18章 主从复制,对大家解决编程问题具有一定的参考价值,需要的程序猿们随着小编来一起学习吧!

第18章 主从复制

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。

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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

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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*68+(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。

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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。

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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)。这些记录叫做 二进制日志事件(binary log events) ;

步骤2:SlaveMaster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:

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3.1 准备工作

1、准备 2台 CentOS 虚拟机
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hostnameIP 地址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。

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

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

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[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;

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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='192.168.17.133',
MASTER_USER='slave1',
MASTER_PASSWORD='123123',
MASTER_LOG_FILE='atguigu-bin.000001',
MASTER_LOG_POS=1135;

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步骤2

#启动slave同步
START SLAVE;

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如果报错:

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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;

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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

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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:

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    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

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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。

举例:导致主从延迟的时间点主要包括以下三个:

  1. 主库A执行完成一个事务,写入binlog,我们把这个时刻记为T1;

  2. 之后传给从库B,我们把从库B接收完这个binlog的时刻记为T2;

  3. 从库B执行完成这个事务,我们把这个时刻记为T3。

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:

  1. 降低多线程大事务并发的概率,优化业务逻辑

  2. 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。

  3. 提高从库机器的配置,减少主库写binlog和从库读binlog的效率差。

  4. 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。

  5. 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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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① Cobar 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Cobar发起人的离职,Cobar停止维护。
② Mycat 是开源社区在阿里cobar基础上进行二次开发,解决了cobar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。

③ OneProxy 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 。
④ kingshard 由小团队用go语言开发,还需要发展,需要不断完善。
⑤ Vitess 是Youtube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 。
⑥ Atlas 是360团队基于mysql proxy改写,功能还需完善,高并发下不稳定。
⑦ MaxScale 是mariadb(MySQL原作者维护的一个版本) 研发的中间件
⑧ MySQLRoute 是MySQL官方Oracle公司发布的中间件

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主备切换:

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