mysql高可用架构设计

一、主从架构

主从架构一般如下所示

这里从节点一般设置成只读（readonly）模式。这样做，有以下几个考虑：

有时候一些运营类的查询语句会被放到备库上去查，设置为只读可以防止误操作；
防止切换逻辑有 bug，比如切换过程中出现双写，造成主备不一致；
可以用 readonly 状态，来判断节点的角色。

你可能会问，我把备库设置成只读了，还怎么跟主库保持同步更新呢？

这个问题，你不用担心。因为 readonly 设置对超级 (super) 权限用户是无效的，而用于同步更新的线程，就拥有超级权限。

1.主从复制

1.主从复制原理

Mysql的主从复制中主要有三个线程： master（binlog dump thread）、slave（I/O thread 、SQL thread），Master一条线程和Slave中的两条线程。

整体上来说，复制有3个步骤：

master将改变记录到二进制日志(binary log)中（这些记录叫做二进制日志事件，binary log events）；
从节点 I/O线程接收 binlog 变动内容，并将其写入到中继日志(relay log) 文件中。；
从节点的SQL 线程读取 relay log 文件内容对数据更新进行重放，最终保证主从数据库的一致性。

复制流程如下：

在这里插入图片描述

注：主从节点使用 binglog 文件 + position 偏移量来定位主从同步的位置，从节点会保存其已接收到的偏移量，如果从节点发生宕机重启，则会自动从 position 的位置发起同步。

详细流程如下：

第一部分就是master记录二进制日志。

在每个事务更新数据完成之前，master在二进制日志中记录这些改变。MySQL将事务串行的写入二进制日志，即使事务中的语句都是交叉执行的。在事件写入二进制日志完成后，master通知存储引擎提交事务。

第二部分就是slave将master的binary log拷贝到它自己的中继日志。

首先，slave开始一个工作线程——I/O线程。I/O线程在master上打开一个普通的连接，然后开始binlog dump process。Binlog dump process从master的二进制日志中读取事件，如果已经跟上master，它会睡眠并等待master产生新的事件。I/O线程将这些事件写入中继日志。

SQL slave thread（SQL从线程）处理该过程的最后一步。

SQL线程从中继日志读取事件，并重放其中的事件而更新slave的数据，使其与master中的数据一致。只要该线程与I/O线程保持一致，中继日志通常会位于OS的缓存中，所以中继日志的开销很小。

此外，在master中也有一个工作线程：和其它MySQL的连接一样，slave在master中打开一个连接也会使得master开始一个线程。复制过程有一个很重要的限制——复制在slave上是串行化的，也就是说master上的并行更新操作不能在slave上并行操作。

2.主从复制策略

1.异步复制

上述处理流程就是异步复制的流程。

而mysql默认的复制方式是异步复制

主库把日志发送给从库后不关心从库是否已经处理，这样会产生一个问题就是假设主库挂了，从库处理失败了，这时候从库升为主库后，日志就丢失了。

由此产生两个概念。

2.全同步复制

主库写入binlog后强制同步日志到从库，所有的从库都执行完成后才返回给客户端，但是很显然这个方式的话性能会受到严重影响。

这里我理解即使是全同步复制，当在复制的过程中主库挂了，那部分数据也丢失了，但主从之间数据还是一致的。由于主库的事务没有提交，那么用户将收到的执行事务失败的错误，那么等主库恢复好了之后，用户将进行二次提交，那么数据就恢复正常了。所以我认为全同步复制只能保证主从之间的数据强一致性，但无法保证因主库宕机而造成的数据丢失问题。

3.半同步复制

和全同步不同的是，半同步复制的逻辑是这样，从库写入日志成功后返回ACK确认给主库，主库收到至少一个从库的确认就认为写操作完成。

配置半同步复制的时候，有一个重要的参数“rpl_semi_sync_master_wait_no_slave”，

含义是：“至少等待数据复制到几个从节点再返回”。这个数量配置的越大，丢数据的风险越小，但是集群的性能和可用性就越差。最大可以配置成和从节点的数量一样，这样就变成了同步复制。

一般情况下，配成默认值 1 也就够了，这样性能损失最小，可用性也很高，只要还有一个从库活着，就不影响主库读写。丢数据的风险也不大，只有在恰好主库和那个有最新数据的从库一起坏掉的情况下，才有可能丢数据。

另外一个重要的参数是“rpl_semi_sync_master_wait_point”，这个参数控制主库执行事务的线程，是在提交事务之前（AFTER_SYNC）等待复制，还是在提交事务之后（AFTER_COMMIT）等待复制。默认是 AFTER_SYNC，也就是先等待复制，再提交事务，这样完全不会丢数据。AFTER_COMMIT 具有更好的性能，不会长时间锁表，但还是存在宕机丢数据的风险。

另外，虽然我们配置了同步或者半同步复制，并且要等待复制成功后再提交事务，还是有一

种特别容易被忽略、可能存在丢数据风险的情况。如果说，主库提交事务的线程等待复制的时间超时了，这种情况下事务仍然会被正常提交。并且，MySQL 会自动降级为异步复制模式，直到有足够多（rpl_semi_sync_master_wait_no_slave）的从库追上主库，才能恢复成半同步复制。如果这个期间主库宕机，仍然存在丢数据的风险

3.并行复制演进

如果备库执行日志的速度持续低于主库生成日志的速度，那这个延迟就有可能成了小时级别。而且对于一个压力持续比较高的主库来说，备库很可能永远都追不上主库的节奏。

这就涉及到今天我要给你介绍的话题：备库并行复制能力。

为了便于你理解，我们再一起看一下极客时间第 24 篇文章《MySQL 是怎么保证主备一致的？》的主备流程图。

图 1 主备流程图

谈到主备的并行复制能力，我们要关注的是图中黑色的两个箭头。一个箭头代表了客户端写入主库，另一箭头代表的是备库上 sql_thread 执行中转日志（relay log）。如果用箭头的粗细来代表并行度的话，那么真实情况就如图 1 所示，第一个箭头要明显粗于第二个箭头。

在主库上，影响并发度的原因就是各种锁了。由于 InnoDB 引擎支持行锁，除了所有并发事务都在更新同一行（热点行）这种极端场景外，它对业务并发度的支持还是很友好的。所以，你在性能测试的时候会发现，并发压测线程 32 就比单线程时，总体吞吐量高。

而日志在备库上的执行，就是图中备库上 sql_thread 更新数据 (DATA) 的逻辑。如果是用单线程的话，就会导致备库应用日志不够快，造成主备延迟。

在官方的 5.6 版本之前，MySQL 只支持单线程复制，由此在主库并发高、TPS 高时就会出现严重的主备延迟问题。

从单线程复制到最新版本的多线程复制，中间的演化经历了好几个版本。接下来，我就跟你说说 MySQL 多线程复制的演进过程。

其实说到底，所有的多线程复制机制，都是要把图 1 中只有一个线程的 sql_thread，拆成多个线程，也就是都符合下面的这个模型：

图 2 多线程模型

图 2 中，coordinator 就是原来的 sql_thread, 不过现在它不再直接更新数据了，只负责读取中转日志和分发事务。真正更新日志的，变成了 worker 线程。而 work 线程的个数，就是由参数 slave_parallel_workers 决定的。根据我的经验，把这个值设置为 8~16 之间最好（32 核物理机的情况），毕竟备库还有可能要提供读查询，不能把 CPU 都吃光了。

接下来，你需要先思考一个问题：事务能不能按照轮询的方式分发给各个 worker，也就是第一个事务分给 worker_1，第二个事务发给 worker_2 呢？

其实是不行的。因为，事务被分发给 worker 以后，不同的 worker 就独立执行了。但是，由于 CPU 的调度策略，很可能第二个事务最终比第一个事务先执行。而如果这时候刚好这两个事务更新的是同一行，也就意味着，同一行上的两个事务，在主库和备库上的执行顺序相反，会导致主备不一致的问题。

接下来，请你再设想一下另外一个问题：同一个事务的多个更新语句，能不能分给不同的 worker 来执行呢？

答案是，也不行。举个例子，一个事务更新了表 t1 和表 t2 中的各一行，如果这两条更新语句被分到不同 worker 的话，虽然最终的结果是主备一致的，但如果表 t1 执行完成的瞬间，备库上有一个查询，就会看到这个事务“更新了一半的结果”，破坏了事务逻辑的隔离性。

所以，coordinator 在分发的时候，需要满足以下这两个基本要求：

不能造成更新覆盖。这就要求更新同一行的两个事务，必须被分发到同一个 worker 中。
同一个事务不能被拆开，必须放到同一个 worker 中。

各个版本的多线程复制，都遵循了这两条基本原则。

接下来，我们就看看各个版本的并行复制策略，详细的复制策略可参考极客时间第26篇

官方 MySQL 5.5 版本是不支持并行复制的。

官方 MySQL5.6 版本，支持了并行复制，只是支持的粒度是按库并行。

MySQL 5.7.22 版本里，MySQL 增加了一个新的并行复制策略，基于 WRITESET 的并行复制。

这里在多说一句，由于我们不是DBA人员，所以借用极客时间时间作者的一句话。

在介绍完每个并行复制策略后，我还和你分享了不同策略的优缺点：

如果你是 DBA，就需要根据不同的业务场景，选择不同的策略；
如果是你业务开发人员，也希望你能从中获取灵感用到平时的开发工作中。

从这些分析中，你也会发现大事务不仅会影响到主库，也是造成备库复制延迟的主要原因之一。因此，在平时的开发工作中，我建议你尽量减少大事务操作，把大事务拆成小事务。

2.主从切换

1.可靠性优先策略

从状态 1 到状态 2 切换的详细过程是这样的：

判断备库 B 现在的 seconds_behind_master，如果小于某个值（比如 5 秒）继续下一步，否则持续重试这一步；
把主库 A 改成只读状态，即把 readonly 设置为 true；
判断备库 B 的 seconds_behind_master 的值，直到这个值变成 0 为止；
把备库 B 改成可读写状态，也就是把 readonly 设置为 false；
把业务请求切到备库 B。

这个切换流程，一般是由专门的 HA 系统来完成的，我们暂时称之为可靠性优先流程。

图 2 MySQL 可靠性优先主备切换流程

备注：图中的 SBM，是 seconds_behind_master 参数的简写。

可以看到，这个切换流程中是有不可用时间的。

因为在步骤 2 之后，主库 A 和备库 B 都处于 readonly 状态，也就是说这时系统处于不可写状态，直到步骤 5 完成后才能恢复。

在这个不可用状态中，比较耗费时间的是步骤 3，可能需要耗费好几秒的时间。这也是为什么需要在步骤 1 先做判断，确保 seconds_behind_master 的值足够小。

试想如果一开始主备延迟就长达 30 分钟，而不先做判断直接切换的话，系统的不可用时间就会长达 30 分钟，这种情况一般业务都是不可接受的。

接下来我们再看看，按照可靠性优先的思路，异常切换会是什么效果？

假设，主库 A 和备库 B 间的主备延迟是 30 分钟，这时候主库 A 掉电了，HA 系统要切换 B 作为主库。我们在主动切换的时候，可以等到主备延迟小于 5 秒的时候再启动切换，但这时候已经别无选择了。

图 5 可靠性优先策略，主库不可用

采用可靠性优先策略的话，你就必须得等到备库 B 的 seconds_behind_master=0 之后，才能切换。但现在的情况比刚刚更严重，并不是系统只读、不可写的问题了，而是系统处于完全不可用的状态。因为，主库 A 掉电后，我们的连接还没有切到备库 B。

你可能会问，那能不能直接切换到备库 B，但是保持 B 只读呢？

这样也不行。

因为，这段时间内，中转日志还没有应用完成，如果直接发起主备切换，客户端查询看不到之前执行完成的事务，会认为有“数据丢失”。

虽然随着中转日志的继续应用，这些数据会恢复回来，但是对于一些业务来说，查询到“暂时丢失数据的状态”也是不能被接受的。

所以那‘沉默的30 分钟’只有尽快使SBM=0完成主从切换吧，使业务的伤害降到最低，那30分钟由于业务都是报错的，所以并不会产生脏数据，这也是不幸中的万幸了吧。

聊到这里你就知道了，在满足数据可靠性的前提下，MySQL 高可用系统的可用性，是依赖于主备延迟的。延迟的时间越小，在主库故障的时候，服务恢复需要的时间就越短，可用性就越高。

当然，系统的不可用时间，是由这个数据可靠性优先的策略决定的。你也可以选择可用性优先的策略，来把这个不可用时间几乎降为 0。

2.可用性优先策略

如果我强行把步骤 4、5 调整到最开始执行，也就是说不等主备数据同步，直接把连接切到备库 B，并且让备库 B 可以读写，那么系统几乎就没有不可用时间了。

我们把这个切换流程，暂时称作可用性优先流程。这个切换流程的代价，就是可能出现数据不一致的情况。

接下来，我就和你分享一个可用性优先流程产生数据不一致的例子。假设有一个表 t：

mysql> CREATE TABLE `t` (
  `id` int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
  `c` int(11) unsigned DEFAULT NULL,
  PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;
 
insert into t(c) values(1),(2),(3);

这个表定义了一个自增主键 id，初始化数据后，主库和备库上都是 3 行数据。接下来，业务人员要继续在表 t 上执行两条插入语句的命令，依次是：

	`insert into t(c) values(4);`
	`insert into t(c) values(5);`

假设，现在主库上其他的数据表有大量的更新，导致主备延迟达到 5 秒。在插入一条 c=4 的语句后，发起了主备切换。

图 3 是可用性优先策略，且 binlog_format=mixed时的切换流程和数据结果。

图 3 可用性优先策略，且 binlog_format=mixed

现在，我们一起分析下这个切换流程：

步骤 2 中，主库 A 执行完 insert 语句，插入了一行数据（4,4），之后开始进行主备切换。
步骤 3 中，由于主备之间有 5 秒的延迟，所以备库 B 还没来得及应用“插入 c=4”这个中转日志，就开始接收客户端“插入 c=5”的命令。
步骤 4 中，备库 B 插入了一行数据（4,5），并且把这个 binlog 发给主库 A。
步骤 5 中，备库 B 执行“插入 c=4”这个中转日志，插入了一行数据（5,4）。而直接在备库 B 执行的“插入 c=5”这个语句，传到主库 A，就插入了一行新数据（5,5）。

最后的结果就是，主库 A 和备库 B 上出现了两行不一致的数据。可以看到，这个数据不一致，是由可用性优先流程导致的。

那么，如果我还是用可用性优先策略，但设置 binlog_format=row，情况又会怎样呢？

因为 row 格式在记录 binlog 的时候，会记录新插入的行的所有字段值，所以最后只会有一行不一致。而且，两边的主备同步的应用线程会报错 duplicate key error 并停止。也就是说，这种情况下，备库 B 的 (5,4) 和主库 A 的 (5,5) 这两行数据，都不会被对方执行。

图 4 中我画出了详细过程，你可以自己再分析一下。

图 4 可用性优先策略，且 binlog_format=row

从上面的分析中，你可以看到一些结论：

使用 row 格式的 binlog 时，数据不一致的问题更容易被发现。而使用 mixed 或者 statement 格式的 binlog 时，数据很可能悄悄地就不一致了。如果你过了很久才发现数据不一致的问题，很可能这时的数据不一致已经不可查，或者连带造成了更多的数据逻辑不一致。
主备切换的可用性优先策略会导致数据不一致。

因此，大多数情况下，我都建议你使用可靠性优先策略。毕竟对数据服务来说的话，数据的可靠性一般还是要优于可用性的。

但事无绝对，有没有哪种情况数据的可用性优先级更高呢？

答案是，有的。

我曾经碰到过这样的一个场景：

有一个库的作用是记录操作日志。这时候，如果数据不一致可以通过 binlog 来修补，而这个短暂的不一致也不会引发业务问题。
同时，业务系统依赖于这个日志写入逻辑，如果这个库不可写，会导致线上的业务操作无法执行。

这时候，你可能就需要选择先强行切换，事后再补数据的策略。

当然，事后复盘的时候，我们想到了一个改进措施就是，让业务逻辑不要依赖于这类日志的写入。也就是说，日志写入这个逻辑模块应该可以降级，比如写到本地文件，或者写到另外一个临时库里面。

这样的话，这种场景就又可以使用可靠性优先策略了。

3.主从延迟

1.定义

数据库中的数据在主库完成更新后，是异步同步到每个从库上的，这个过程有一个微小的时间差，这个时间差叫主从同步延迟。

正常情况下，主从延迟非常小，不超过 1ms。但即使这个非常小的延迟，也会导致在某一个时刻，主库和从库上的数据是不一致的。应用程序需要能接受并克服这种主从不一致的情况，否则就会引发一些由于主从延迟导致的数据错误。

主备切换可能是一个主动运维动作，比如软件升级、主库所在机器按计划下线等，也可能是被动操作，比如主库所在机器掉电。

接下来，我们先一起看看主动切换的场景。

在介绍主动切换流程的详细步骤之前，我要先跟你说明一个概念，即“同步延迟”。与数据同步有关的时间点主要包括以下三个：

主库 A 执行完成一个事务，写入 binlog，我们把这个时刻记为 T1;

之后传给备库 B，我们把备库 B 接收完这个 binlog 的时刻记为 T2;

备库 B 执行完成这个事务，我们把这个时刻记为 T3。

所谓主备延迟，就是同一个事务，在备库执行完成的时间和主库执行完成的时间之间的差值，也就是 T3-T1。

你可以在备库上执行 show slave status 命令，它的返回结果里面会显示 seconds_behind_master，用于表示当前备库延迟了多少秒。

seconds_behind_master 的计算方法是这样的：

每个事务的 binlog 里面都有一个时间字段，用于记录主库上写入的时间；

备库取出当前正在执行的事务的时间字段的值，计算它与当前系统时间的差值，得到 seconds_behind_master。

可以看到，其实 seconds_behind_master 这个参数计算的就是 T3-T1。所以，我们可以用 seconds_behind_master 来作为主备延迟的值，这个值的时间精度是秒。

你可能会问，如果主备库机器的系统时间设置不一致，会不会导致主备延迟的值不准？

其实不会的。因为，备库连接到主库的时候，会通过执行 SELECT UNIX_TIMESTAMP() 函数来获得当前主库的系统时间。如果这时候发现主库的系统时间与自己不一致，备库在执行 seconds_behind_master 计算的时候会自动扣掉这个差值。

需要说明的是，在网络正常的时候，日志从主库传给备库所需的时间是很短的，即 T2-T1 的值是非常小的。也就是说，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。

所以说，主备延迟最直接的表现是，备库消费中转日志（relay log）的速度，比主库生产 binlog 的速度要慢。接下来，我就和你一起分析下，这可能是由哪些原因导致的。