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MYSQL系列-高可用部署和异常恢复

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本文主要总结MYSQL高可用相关的介绍和总结 MYSQL采用主从架构来支持高可用。主从架构中必须有一个主节点，以及一个或多个从节点，所有的数据都会先写入到主，接着其他从节点会复制主节点上的增量数据，从而保证数据的最终一致性，使用主从复制方案，可以进一步提升数据库的可用性和性能：

  • 在主节点宕机或故障的情况下，从节点能自动切换成主节点的身份，从而继续对外提供服务。
  • 提供数据备份的功能，当主节点的数据发生损坏时，从节点中依旧保存着完整数据。
  • 可以基于主从实现读写分离，主节点负责处理写请求，从节点处理读请求，进一步提升性能。

但无论任何技术栈的主从架构，都会存在致命硬伤，同时也会存在些许问题需要解决：

  • 硬伤：木桶效应，一个主从集群中所有节点的容量，受限于存储容量最低的哪台服务器。
  • 数据一致性问题：由于同步复制数据的过程是基于网络传输完成的，所以存储延迟性。
  • 脑裂问题：从节点会通过心跳机制，发送网络包来判断主机是否存活，网络故障情况下会产生多主。

上述提到的三个问题中，第一个问题只能靠加大服务器的硬件配置解决，第二个问题相对来说已经有了很好的解决方案（后续讲解），第三个问题则是部署方式决定的，如果将所有节点都部署在同一网段，基本上不会出现集群脑裂问题。

主从复制

采用Binlog来进行主从复制

MYSQL系列-高可用部署和异常恢复

上述即是主从同步数据的原理图，但在讲解之前先来了解一下两种数据同步的方式：

  • 主节点推送：当主节点出现数据变更时，主动向自身注册的所有从节点推送新数据写入。
  • 从节点拉取：从节点定期去询问一次主节点是否有数据更新，有则拉取新数据写入。

那MySQL究竟采用的是什么方式呢？其实是从拉的方案，但对其稍微做了一些优化，传统的从拉方案是需要从节点一直与主节点保持长连接，从节点定时或持续性的对主节点做轮询，查看主机的数据是否发生了变更，而MySQL的数据同步原理如下：

  1. 客户端将写入数据的需求交给主节点，主节点先向自身写入数据。
  2. 数据写入完成后，紧接着会再去记录一份Bin-log二进制日志。
  3. 配置主从架构后，主节点上会创建一条专门监听Bin-log日志的log dump线程。
  4. 当log dump线程监听到日志发生变更时，会通知从节点来拉取数据。
  5. 从节点会有专门的I/O线程用于等待主节点的通知，当收到通知时会去请求一定范围的数据。
  6. 当从节点在主节点上请求到一定数据后，接着会将得到的数据写入到relay-log中继日志。
  7. 从节点上也会有专门负责监听relay-log变更的SQL线程，当日志出现变更时会开始工作。
  8. 中继日志出现变更后，接着会从中读取日志记录，然后解析日志并将数据写入到自身磁盘中。

Bin-log日志格式：

  • Statment：记录每一条会对数据库产生变更操作的SQL语句（默认格式）。
  • Row：记录具体出现变更的数据（也会包含数据所在的分区以及所位于的数据页）。
  • Mixed：Statment、Row的结合版，可复制的记录SQL语句，不可复制的记录具体数据。

现网一般使用Mixed格式

主从模型不同架构

一主多从架构

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读多于写，读写分离，读操作从节点查询

双主架构

MYSQL系列-高可用部署和异常恢复 典型的双主架构，这里有两个MySQL节点，它们都是主库，也都属于对方的从库，也就是两者之间会相互同步数据，这时为了防止主键出现冲突，一般都会通过设置数据库自增步长的方式来防重，通常会将两个节点的自增步长设为2，然后为两个节点分配自增初始值1、2

多主一从架构

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级联复制架构

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这个过程中，第一层从库只有一个节点，它会负责从主库上拉取最新的数据，接着第二层的多个从库会从上一层的从库中拉取数据，这样能够这在从库较多的情况下，尽量降低数据同步对主节点的性能影响。

主从架构小结

  • 一主多从架构：适用于读大于写的场景，采用多个从库来分担数据库系统的读压力。

  • 多主架构：适用于读写参半的场景，采用多个主库来承载数据库系统整体的读写压力。

  • 多主一从架构：适用于写大于读的场景，采用多个主库分担写压力，单个从库承载读压力。

  • 级联复制架构：适用于读大于写的场景，采用单个从节点来分担从库对主库造成的I/O压力。

实际使用时复用上述多个架构，我们采用双主(一主一备）+ 多从 + 级联（给大数据、研发查询使用，实时性要求不是太高）

主从复制数据方式

MySQL中一共支持四种数据同步方式，即：异步复制、同步复制、半同步复制、增强式半同步复制/无损复制

异步复制

当主节点接收到一个客户端的写请求后，先会往自身写入数据，自身数据写入成功后，就会立马向客户端返回写入成功的信息，对于从节点的数据，会在其他的时间内再异步复制过去。

异步复制参考 【MySQL】主从异步复制配置

同步复制

当主节点接收到一个客户端的写请求后，先会往自身写入数据，接着会去要求其他从节点也写入数据，当从节点的数据写入完成后，最终才会向客户端返回写入成功。

MYSQL自身不支持同步复制

半同步复制

当客户端的数据到来时，会先写入到主节点中，接着主节点会向所有从节点发送一个写入数据的请求，但半同步模式中无需等待所有从节点全部写入完成后再返回，而是只要有一个从节点写入成功并返回了ACK，则会直接向客户端返回写入成功，这样既能够保证性能，又能够确保数据不丢失。

同时为了避免网络延迟造成主库长时间收不到从库的ACK，因此在配置半同步式复制时，会有一个rpl_semi_sync_master_timeout参数来控制超时时间，其默认值是10000ms/10s，如若主库在10s内依旧未收到从库的ACK，则会将复制模式切换成异步模式，切成异步模式后，会在后续网络正常后再次切回半同步模式。

参考 MySQL半同步复制原理与配置详解

增强式半同步复制/无损复制

增强式半同步复制也被称为无损复制，这是MySQL5.7版本中引入的一种新技术，在MySQL5.7版本中就不存在普通的半同步模式了，当将复制模式配置成半同步时，默认就会选用无损复制模式，和之前传统的半同步复制区别在于：从after-commit变成了after-sync，啥意思呢？

after-commit：主库在未收到从库的ACK之前，虽然不会给客户端返回写入成功，但本质上在MySQL中会提交事务，也就是主库中的其他事务是可以看见对应数据的，当此时出现宕机时，就会导致旧主上能查询出的数据，在新主（原本的从库）上无法查询出来了。 after-sync：当主库未收到从库的ACK之前，也不会在主库上提交事务，也就是保证了主从节点的数据强一致性，解决了after-commit中存在的问题。

其实简单来说，无损复制中等待ACK的动作会放到事务提交前进行，而传统半同步复制中，等待ACK的动作会放到事务提交后进行。两者之间的区别就在于：对主从节点的数据严格性不同，一般情况下，无损复制会比传统半同步复制开销更大一些，因为事务迟迟不提交，会导致对应的锁资源不会主动释放，其他需要获取对应锁资源的事务只能阻塞等待，这会造成主库的整体性能出现一定影响。

上面聊完了主从复制的四种数据同步方式，接着来聊一聊MySQL5.6中，两种新的复制特性，即从库数据的延迟复制，和从库数据的并行复制，展开说说吧~

延迟复制

延迟复制通常用于一些特殊场景，它可以支持从库数据的延迟同步，也就是当从库上的I/O线程，将主库的Bin-log日志请求回来后，从节点的SQL线程并不会立刻解析日志执行，而是等待一段时间后再解析日志执行，这个等待的时间可以由开发者来配置，一般建议设为3~6小时之间。

防止误删操作

并行复制

并行复制是在MySQL5.6加入的新技术，但实际上5.6版本中的支持并不完善，直到5.7版本中才真正实现了并行复制技术，但想要说清楚并行复制，则得先弄懂组复制的概念，想要弄明白组复制，在此之前还得理解GTID复制的概念，所以并行复制技术会比前面几个概念难啃一些。

GTID复制

GTID复制依旧是5.6版本中的新功能，在传统的主从架构中，当需要发生主从切换时，需要开发/运维人员手动找到Bin-log的POS同步点，然后执行change master to [new-master-pos]命令，将其他从节点指向新主库，但每个从节点可能同步数据的进度都不一致，因此每个从节点都需要去找到它上次的POS点，然后指向新主库，这个工作是不是听起来就比较繁杂？答案是Yes，不过到了MySQL5.6版本后，开启了GTID复制后，则无需手动寻找POS点！

GTID(Global Transaction ID)也就是全局事务标识符的意思，它由节点UUID+事务ID两部分组成，MySQL在第一次启动时都会利用UUID随机生成一个server_id，MySQL会对每一个写事务都分配一个顺序递增的值作为事务ID，而GTID则是由这两玩意儿组成的，格式为server_uuid:trx_id。

当主库的事务有了这个全局事务标识后，再发生主从切换时就无需手动寻点了，仅需要执行change master to master_auto_position = 1这条命令即可，它会自动去新主库上寻找数据的同步点，也就是MySQL自身就具备断点复制的功能。

组复制

前面阐述的GTID复制则是组复制的实现基础，而组复制则是并行复制的基础，那么什么叫做组复制呢？组复制是指将一组并行执行的事务，全部放入到一个GTID中记录，后续从节点同步数据时，会一次性读取这一组事务解析并执行，与传统的GTID区别如下：

  • 传统的GTID值由节点ID+事务ID组成：12EEA4RD6-45AC-667B-33DD-CCC55EF718D:88。
  • 组复制的GTID通过逗号分隔：12EEA4RD6-45AC-667B-33DD-CCC55EF718D:89, 12EEA4RD6-45AC-667B-33DD-CCC55EF718D:89-94, ......。
MySQL如何实现事务分组的呢？

看过MySQL源码的小伙伴应该清楚，MySQL提交事务时内部会调用ordered_commit函数来处理相关工作，其函数执行的逻辑流程图如下： MYSQL系列-高可用部署和异常恢复 当一个事务提交时都会调用ordered_commit函数，首先会将事务加入等待事务组，接着会经过三个核心步骤：FLUSH、SYNC、COMMIT，对应的也会有三个队列，它们三者的工作原理都大致相同：

  • ①如果某个事务进入FLUSH队列时，该队列还是空的，则这个事务会担任“队长”的角色。

  • ②当后续其他事务进入队列时，发现队列不为空，则会将提交工作委托给队长来完成。

  • ③如上图中的「事务1」则是队长，后续的都是队员，但队长不会无限制等待队员到来：

    • 从队长加入的时间点开始，当超出binlog_group_commit_sync_delay规定的时间后，就会进行一次组提交。

同一时刻只允许一组事务做这些工作，也就是当有另外一组事务提交时，需要等待上一组事务提交完成。

在做组提交工作时，会将当前事务组的内容记录到Bin-log日志中，同时会将这组事务记录成一个GTID，不同事务之间通过,逗号分隔（实际过程更为复杂，这里只做简单讲解）。

经过上述步骤后，就实现了按事务组去生成GTID值，这也是后续并行复制的基础，接着往下看。

并行复制

到了MySQL5.7中，才基于组复制技术实现了真正意义上的并行复制，因为能够在同一时间内提交的事务，绝对是不存在锁冲突的，所以可以开启多条线程同时执行一个组中不同的事务，但这个思想是从MariaDB中照抄过来的~

一句话来总结就是：主库上是咋样并发写入数据的，从库也会开启对应的线程数去并发写入。

在5.7中官方为这种机制命名为enhanced multi-threaded slave，简称MTS机制，同时为了兼容5.6版本中的并行复制，又多加入了一个slave-parallel-type参数：

  • DATABASE：默认的并行复制模式，表示基于库级别的来完成并行复制。
  • LOGICAL_CLOCK：表示基于组提交的方式来完成并行复制。

但当你想要使用这种并行复制的技术，必须要将版本升级到MySQL 5.7.19才行，因为在此之前的版本中，MTS技术依旧存在不小瑕疵。

并行复制出现的意义是什么？

对于这个问题相信大家都能直接想出来答案，能够在很大程度上提升从库复制数据的速度，也就是能够让从库的数据实时性提升，尤其是无损复制模式中，主节点需要等待从节点的ACK才会真正提交事务，从库使用并行复制后，能够在一定程度上解决从库的复制延迟问题。

不过虽然5.7中的并行复制，在一定程度上解决了原有的从库延迟问题，但如果一个新的从节点加入集群时，因为要从头开始同步数据，这种并行复制的模式依旧存在效率问题，而到了MySQL8.0中，对于并行复制技术提出了真正的解决之道，也就是基于writeset的MTS技术。

啥叫基于writeset的MTS技术呢？即多个事务之间，只要变更的数据记录没有重叠，也就是操作的数据没有冲突，无需在一个事务组内，也可以支持并发执行，这也是MySQL-MTS技术的最终的完美形态。

数据一致性解决方案

改写业务逻辑

读库差不多采用其他业务逻辑处理

更改复制方式

采用半同步方式，会导致性能下降严重

调整数据库架构

升级主库硬件配置，实时性要求高的查询从主库查询

引入第三方中间件

使用类似Canal，监听主节点的binlog，主动推送给从节点，提高主从同步效率

高可用部署方案

MHA方案

什么是 MHA

  • MHA（MasterHigh Availability）是一套优秀的MySQL高可用环境下故障切换和主从复制的软件。
  • MHA 的出现就是解决MySQL 单点的问题。
  • MySQL故障切换过程中，MHA能做到0-30秒内自动完成故障切换操作。
  • MHA能在故障切换的过程中最大程度上保证数据的一致性，以达到真正意义上的高可用。

MHA组成

• MHA Node（数据节点） MHA Node 运行在每台 MySQL 服务器上 • MHA Manager（管理节点） MHA Manager 可以单独部署在一台独立的机器上，管理多个 master-slave 集群；也可以部署在一台 slave 节点上 MHA Manager 会定时探测集群中的 master 节点。当 master 出现故障时，它可以自动将最新数据的 slave 提升为新的 master， 然后将所有其他的 slave 重新指向新的 master。整个故障转移过程对应用程序完全透明

MYSQL系列-高可用部署和异常恢复

搭建方式参考 MySQL MHA 高可用集群部署及故障切换

MySQL cluster

分布式协议可以很好解决数据一致性问题。 MySQL cluster是官方集群的部署方案，通过使用NDB存储引擎实时备份冗余数据，实现数据库的高可用性和数据一致性。

MYSQL系列-高可用部署和异常恢复

优点：

  1. 全部使用官方组件，不依赖于第三方软件；

  2. 可以实现数据的强一致性；

缺点：

  1. 国内使用的较少；

  2. 配置较复杂，需要使用NDB储存引擎，与MySQL常规引擎存在一定差异；

  3. 至少三节点；

备份和异常恢复方式

参考 MySQL数据库全量、增量备份与恢复怎么做

延伸

问题1：如果MySQL 现在出现了性能瓶颈，而且瓶颈在 IO 上，可以通过哪些方法来提升性能呢？

可以考虑以下三种方法：

  1. 采用组提交方式，设置 binlog_group_commit_sync_delay 和 binlog_group_commit_sync_no_delay_count 参数，减少 binlog 的写盘次数。这个方法是基于“额外的故意等待”来实现的，因此可能会增加语句的响应时间，但没有丢失数据的风险。
  2. 将 sync_binlog 设置为大于 1 的值（比较常见是 100~1000）。这样做的风险是，主机掉电时会丢 binlog 日志。
  3. 将 innodb_flush_log_at_trx_commit 设置为 2（事务提交时会将事务日志写入磁盘，但不会刷新到磁盘，而是每秒将日志缓存写入操作系统的缓存中）。这样做的风险是，主机掉电的时候会丢数据。

问题2：什么时候会把线上生产库设置成“非双 1”

  1. 业务高峰期。一般如果有预知的高峰期，DBA 会有预案，把主库设置成“非双 1”。
  2. 备库延迟，为了让备库尽快赶上主库。@永恒记忆和 @Second Sight 提到了这个场景。
  3. 用备份恢复主库的副本，应用 binlog 的过程，这个跟上一种场景类似。
  4. 批量导入数据的时候。

一般情况下，把生产库改成“非双 1”配置，是设置 innodb_flush_logs_at_trx_commit=2、sync_binlog=1000。

参考： 1.(二十四)全解MySQL之主从篇：死磕主从复制中数据同步原理与优化 2.五大常见的MySQL高可用方案