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1.主从复制概述

1.1.如何提升数据库并发能力

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（1）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。

（2）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。

（3）高可用性，数据备份实际上是一种冗余机制，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%) = 5256 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

（1）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。

（2）复制三步骤

• Master将写操作记录到二进制日志 (binlog)。

• Slave将Master的binary log events拷贝到它的中继日志 (relay log)；

• 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。

（3）复制的问题
复制的最大问题：延时

2.2.复制的基本原则

（1）每个 Slave 只有一个 Master。
（2）每个 Slave 只能有一个唯一的服务器 ID。
（3）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；
（2）每台虚拟机上需要安装好 MySQL （可以是 MySQL8.0）；

说明：如何克隆一台 CentOS 的步骤可以在网上搜索。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。

（3）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

（4）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.

（5）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

（1）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] 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 1 GB 
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。

（2）binlog 格式设置
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。

# [必须]从服务器唯一ID 
server-id=2 

# [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 MySQL 8，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，否则会出现下面的错误
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

（1）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;

（2）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 relay log 日志文件，并重新启用新的 relay log 文件

接着，查看同步状态：

SHOW SLAVE STATUS\G;

显式如下的情况，就是不正确的。可能错误的原因有：

• 网络不通
• 账户密码错误
• 防火墙
• MySQL 配置文件问题
• 连接服务器时语法
• 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

（1）停止主从同步命令：

stop slave;

（2）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：

（3）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

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 500 ms），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

（1）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。

（2）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

（1）MySQL 5.5 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。

（2）在 MySQL 5.7 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。

方法 3：组复制

（1）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。

（2）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。

（3）MGR 是如何工作的？
① 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。

② 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。

③ 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。

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。

主备切换：