MySQL原理探索——27 主库出问题了，从库怎么办

在前面的第24、25和26篇文章中，介绍了 MySQL 主备复制的基础结构，但这些都是一主一备的结构。
大多数的互联网应用场景都是读多写少，因此你负责的业务，在发展过程中很可能先会遇到读性能的问题。而在数据库层解决读性能问题，就要涉及到接下来两篇文章要讨论的架构：一主多从。
今天这篇文章，我们就先聊聊一主多从的切换正确性。然后，我们在下一篇文章中再聊聊解决一主多从的查询逻辑正确性的方法。
如图 1 所示，就是一个基本的一主多从结构。

图中，虚线箭头表示的是主备关系，也就是 A 和 A’互为主备，从库 B、C、D 指向的是主库 A。一主多从的设置，一般用于读写分离，主库负责所有的写入和一部分读，其他的读请求则由从库分担。
今天我们要讨论的就是，在一主多从架构下，主库故障后的主备切换问题。
如图 2 所示，就是主库发生故障，主备切换后的结果。

相比于一主一备的切换流程，一主多从结构在切换完成后，A’会成为新的主库，从库B、C、D 也要改接到 A’。正是由于多了从库 B、C、D 重新指向的这个过程，所以主备切换的复杂性也相应增加了。
接下来，我们再一起看看一个切换系统会怎么完成一主多从的主备切换过程。

基于位点的主备切换

这里，我们需要先来回顾一个知识点。
当我们把节点 B 设置成节点 A’的从库的时候，需要执行一条 change master 命令：

CHANGE MASTER TO 
MASTER_HOST=$host_name 
MASTER_PORT=$port 
MASTER_USER=$user_name 
MASTER_PASSWORD=$password 
MASTER_LOG_FILE=$master_log_name 
MASTER_LOG_POS=$master_log_pos

这条命令有这么 6 个参数：
MASTER_HOST、MASTER_PORT、MASTER_USER 和 MASTER_PASSWORD 四个参数，分别代表了主库 A’的 IP、端口、用户名和密码。
最后两个参数 MASTER_LOG_FILE 和 MASTER_LOG_POS 表示，要从主库的master_log_name 文件的 master_log_pos 这个位置的日志继续同步。而这个位置就是我们所说的同步位点，也就是主库对应的文件名和日志偏移量。
那么，这里就有一个问题了，节点 B 要设置成 A’的从库，就要执行 change master 命令，就不可避免地要设置位点的这两个参数，但是这两个参数到底应该怎么设置呢？
原来节点 B 是 A 的从库，本地记录的也是 A 的位点。但是相同的日志，A 的位点和A’的位点是不同的。因此，从库 B 要切换的时候，就需要先经过“找同步位点”这个逻辑。
这个位点很难精确取到，只能取一个大概位置。为什么这么说呢？
我来和你分析一下看看这个位点一般是怎么获取到的，你就清楚其中不精确的原因了。
考虑到切换过程中不能丢数据，所以我们找位点的时候，总是要找一个“稍微往前”的，然后再通过判断跳过那些在从库 B 上已经执行过的事务。
一种取同步位点的方法是这样的：
1. 等待新主库 A’把中转日志（relay log）全部同步完成；
2. 在 A’上执行 show master status 命令，得到当前 A’上最新的 File 和 Position；
3. 取原主库 A 故障的时刻 T；
4. 用 mysqlbinlog 工具解析 A’的 File，得到 T 时刻的位点。

mysqlbinlog File --stop-datetime=T --start-datetime=T

图中，end_log_pos 后面的值“123”，表示的就是 A’这个实例，在 T 时刻写入新的binlog 的位置。然后，我们就可以把 123 这个值作为 $master_log_pos ，用在节点 B 的 change master 命令里。
当然这个值并不精确。为什么呢？
你可以设想有这么一种情况，假设在 T 这个时刻，主库 A 已经执行完成了一个 insert 语句插入了一行数据 R，并且已经将 binlog 传给了 A’和 B，然后在传完的瞬间主库 A 的主机就掉电了。
那么，这时候系统的状态是这样的：
1. 在从库 B 上，由于同步了 binlog， R 这一行已经存在；
2. 在新主库 A’上， R 这一行也已经存在，日志是写在 123 这个位置之后的；
3. 我们在从库 B 上执行 change master 命令，指向 A’的 File 文件的 123 位置，就会把插入 R 这一行数据的 binlog 又同步到从库 B 去执行。
这时候，从库 B 的同步线程就会报告 Duplicate entry ‘id_of_R’ for key ‘PRIMARY’ 错误，提示出现了主键冲突，然后停止同步。
所以，通常情况下，我们在切换任务的时候，要先主动跳过这些错误，有两种常用的方法。
一种做法是，主动跳过一个事务。跳过命令的写法是：

set global sql_slave_skip_counter=1;
start slave;

因为切换过程中，可能会不止重复执行一个事务，所以我们需要在从库 B 刚开始接到新主库 A’时，持续观察，每次碰到这些错误就停下来，执行一次跳过命令，直到不再出现停下来的情况，以此来跳过可能涉及的所有事务。
另外一种方式是，通过设置 slave_skip_errors 参数，直接设置跳过指定的错误。
在执行主备切换时，有这么两类错误，是经常会遇到的：
1062 错误是插入数据时唯一键冲突；
1032 错误是删除数据时找不到行。
因此，我们可以把 slave_skip_errors 设置为 “1032,1062”，这样中间碰到这两个错误时就直接跳过。
这里需要注意的是，这种直接跳过指定错误的方法，针对的是主备切换时，由于找不到精确的同步位点，所以只能采用这种方法来创建从库和新主库的主备关系。
这个背景是，我们很清楚在主备切换过程中，直接跳过 1032 和 1062 这两类错误是无损的，所以才可以这么设置 slave_skip_errors 参数。等到主备间的同步关系建立完成，并稳定执行一段时间之后，我们还需要把这个参数设置为空，以免之后真的出现了主从数据不一致，也跳过了。

GTID

通过 sql_slave_skip_counter 跳过事务和通过 slave_skip_errors 忽略错误的方法，虽然都最终可以建立从库 B 和新主库 A’的主备关系，但这两种操作都很复杂，而且容易出错。所以，MySQL 5.6 版本引入了 GTID，彻底解决了这个困难。
那么，GTID 到底是什么意思，又是如何解决找同步位点这个问题呢？现在，简单介绍一下。
GTID 的全称是 Global Transaction Identifier，也就是全局事务 ID，是一个事务在提交的时候生成的，是这个事务的唯一标识。它由两部分组成，格式是：

GTID=server_uuid:gno

其中：
server_uuid 是一个实例第一次启动时自动生成的，是一个全局唯一的值；
gno 是一个整数，初始值是 1，每次提交事务的时候分配给这个事务，并加 1。
这里我需要和你说明一下，在 MySQL 的官方文档里，GTID 格式是这么定义的：

GTID=source_id:transaction_id

这里的 source_id 就是 server_uuid；而后面的这个 transaction_id，我觉得容易造成误导，所以我改成了 gno。为什么说使用 transaction_id 容易造成误解呢？
因为，在 MySQL 里面我们说 transaction_id 就是指事务 id，事务 id 是在事务执行过程中分配的，如果这个事务回滚了，事务 id 也会递增，而 gno 是在事务提交的时候才会分配。
从效果上看，GTID 往往是连续的，因此我们用 gno 来表示更容易理解。
GTID 模式的启动也很简单，我们只需要在启动一个 MySQL 实例的时候，加上参数gtid_mode=on 和 enforce_gtid_consistency=on 就可以了。
在 GTID 模式下，每个事务都会跟一个 GTID 一一对应。这个 GTID 有两种生成方式，而使用哪种方式取决于 session 变量 gtid_next 的值。
1. 如果 gtid_next=automatic，代表使用默认值。这时，MySQL 就会把server_uuid:gno 分配给这个事务。
a. 记录 binlog 的时候，先记录一行 SET @@SESSION.GTID_NEXT='server_uuid:gno';
b. 把这个 GTID 加入本实例的 GTID 集合。
2. 如果 gtid_next 是一个指定的 GTID 的值，比如通过 set gtid_next='current_gtid'指定为 current_gtid，那么就有两种可能：
a. 如果 current_gtid 已经存在于实例的 GTID 集合中，接下来执行的这个事务会直接被系统忽略；
b. 如果 current_gtid 没有存在于实例的 GTID 集合中，就将这个 current_gtid 分配给接下来要执行的事务，也就是说系统不需要给这个事务生成新的 GTID，因此 gno 也不用加 1。
注意，一个 current_gtid 只能给一个事务使用。这个事务提交后，如果要执行下一个事务，就要执行 set 命令，把 gtid_next 设置成另外一个 gtid 或者 automatic。
这样，每个 MySQL 实例都维护了一个 GTID 集合，用来对应“这个实例执行过的所有事务”。
这样看上去不太容易理解，接下来我就用一个简单的例子，来和你说明 GTID 的基本用法。
我们在实例 X 中创建一个表 t。

CREATE TABLE `t` (
`id` int(11) NOT NULL,
`c` int(11) DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (`id`)
) ENGINE=InnoDB;

insert into t values(1,1);

可以看到，事务的 BEGIN 之前有一条 SET @@SESSION.GTID_NEXT 命令。这时，如果实例 X 有从库，那么将 CREATE TABLE 和 insert 语句的 binlog 同步过去执行的话，执行事务之前就会先执行这两个 SET 命令，这样被加入从库的 GTID 集合的，就是图中的这两个 GTID。
假设，现在这个实例 X 是另外一个实例 Y 的从库，并且此时在实例 Y 上执行了下面这条插入语句：

insert into t values(1,1);

并且，这条语句在实例 Y 上的 GTID 是 “aaaaaaaa-cccc-dddd-eeee-ffffffffffff:10”。
那么，实例 X 作为 Y 的从库，就要同步这个事务过来执行，显然会出现主键冲突，导致实例 X 的同步线程停止。这时，我们应该怎么处理呢？
处理方法就是，你可以执行下面的这个语句序列：

set gtid_next='aaaaaaaa-cccc-dddd-eeee-ffffffffffff:10';
begin;
commit;
set gtid_next=automatic;
start slave;

其中，前三条语句的作用，是通过提交一个空事务，把这个 GTID 加到实例 X 的 GTID 集合中。如图 5 所示，就是执行完这个空事务之后的 show master status 的结果。

可以看到实例 X 的 Executed_Gtid_set 里面，已经加入了这个 GTID。
这样，我再执行 start slave 命令让同步线程执行起来的时候，虽然实例 X 上还是会继续执行实例 Y 传过来的事务，但是由于“aaaaaaaa-cccc-dddd-eeee-ffffffffffff:10”已经存在于实例 X 的 GTID 集合中了，所以实例 X 就会直接跳过这个事务，也就不会再出现主键冲突的错误。
在上面的这个语句序列中，start slave 命令之前还有一句 set gtid_next=automatic。这句话的作用是“恢复 GTID 的默认分配行为”，也就是说如果之后有新的事务再执行，就还是按照原来的分配方式，继续分配 gno=3。

基于 GTID 的主备切换

现在，我们已经理解 GTID 的概念，再一起来看看基于 GTID 的主备复制的用法。
在 GTID 模式下，备库 B 要设置为新主库 A’的从库的语法如下：

CHANGE MASTER TO 
MASTER_HOST=$host_name 
MASTER_PORT=$port 
MASTER_USER=$user_name 
MASTER_PASSWORD=$password 
master_auto_position=1

其中，master_auto_position=1 就表示这个主备关系使用的是 GTID 协议。可以看到，前面让我们头疼不已的 MASTER_LOG_FILE 和 MASTER_LOG_POS 参数，已经不需要指定了。
我们把现在这个时刻，实例 A’的 GTID 集合记为 set_a，实例 B 的 GTID 集合记为set_b。接下来，我们就看看现在的主备切换逻辑。
我们在实例 B 上执行 start slave 命令，取 binlog 的逻辑是这样的：
1. 实例 B 指定主库 A’，基于主备协议建立连接。
2. 实例 B 把 set_b 发给主库 A’。
3. 实例 A’算出 set_a 与 set_b 的差集，也就是所有存在于 set_a，但是不存在于 set_b的 GITD 的集合，判断 A’本地是否包含了这个差集需要的所有 binlog 事务。
a. 如果不包含，表示 A’已经把实例 B 需要的 binlog 给删掉了，直接返回错误；
b. 如果确认全部包含，A’从自己的 binlog 文件里面，找出第一个不在 set_b 的事务，发给 B；
4. 之后就从这个事务开始，往后读文件，按顺序取 binlog 发给 B 去执行。
其实，这个逻辑里面包含了一个设计思想：在基于 GTID 的主备关系里，系统认为只要建立主备关系，就必须保证主库发给备库的日志是完整的。因此，如果实例 B 需要的日志已经不存在，A’就拒绝把日志发给 B。
这跟基于位点的主备协议不同。基于位点的协议，是由备库决定的，备库指定哪个位点，主库就发哪个位点，不做日志的完整性判断。
基于上面的介绍，我们再来看看引入 GTID 后，一主多从的切换场景下，主备切换是如何实现的。
由于不需要找位点了，所以从库 B、C、D 只需要分别执行 change master 命令指向实例A’即可。
其实，严谨地说，主备切换不是不需要找位点了，而是找位点这个工作，在实例 A’内部就已经自动完成了。但由于这个工作是自动的，所以对 HA 系统的开发人员来说，非常友好。
之后这个系统就由新主库 A’写入，主库 A’的自己生成的 binlog 中的 GTID 集合格式是：server_uuid_of_A’:1-M。
如果之前从库 B 的 GTID 集合格式是 server_uuid_of_A:1-N，那么切换之后 GTID 集合的格式就变成了 server_uuid_of_A:1-N, server_uuid_of_A’:1-M。
当然，主库 A’之前也是 A 的备库，因此主库 A’和从库 B 的 GTID 集合是一样的。这就达到了我们预期。

GTID 和在线 DDL

接下来，我再举个例子帮你理解 GTID。
之前在第 22 篇文章《MySQL 有哪些“饮鸩止渴”提高性能的方法？》中，提到业务高峰期的慢查询性能问题时，分析到如果是由于索引缺失引起的性能问题，我们可以通过在线加索引来解决。但是，考虑到要避免新增索引对主库性能造成的影响，我们可以先在备库加索引，然后再切换。
当时我说，在双 M 结构下，备库执行的 DDL 语句也会传给主库，为了避免传回后对主库造成影响，要通过 set sql_log_bin=off 关掉 binlog。
评论区有位同学提出了一个问题：这样操作的话，数据库里面是加了索引，但是 binlog并没有记录下这一个更新，是不是会导致数据和日志不一致？
这个问题提得非常好。当时，我在留言的回复中就引用了 GTID 来说明。今天，我再和你展开说明一下。
假设，这两个互为主备关系的库还是实例 X 和实例 Y，且当前主库是 X，并且都打开了
GTID 模式。这时的主备切换流程可以变成下面这样：
在实例 X 上执行 stop slave。
在实例 Y 上执行 DDL 语句。注意，这里并不需要关闭 binlog。
执行完成后，查出这个 DDL 语句对应的 GTID，并记为 server_uuid_of_Y:gno。
到实例 X 上执行以下语句序列：

set GTID_NEXT="server_uuid_of_Y:gno";
begin;
commit;
set gtid_next=automatic;
start slave;

这样做的目的在于，既可以让实例 Y 的更新有 binlog 记录，同时也可以确保不会在实例X 上执行这条更新。
接下来，执行完主备切换，然后照着上述流程再执行一遍即可。

小结

在今天这篇文章中，介绍了一主多从的主备切换流程。在这个过程中，从库找新主库的位点是一个痛点。由此，我们引出了 MySQL 5.6 版本引入的 GTID 模式，介绍了GTID 的基本概念和用法。
可以看到，在 GTID 模式下，一主多从切换就非常方便了。
因此，如果你使用的 MySQL 版本支持 GTID 的话，我都建议你尽量使用 GTID 模式来做一主多从的切换。
在下一篇文章中，涉及GTID 模式在读写分离场景的应用。

补充：

如果主库都是单线程压力模式，在从库追主库的过程中，binlog-transaction-dependency-tracking 应该选用什么参数？
这个问题的答案是，应该将这个参数设置为 WRITESET。
由于主库是单线程压力模式，所以每个事务的 commit_id 都不同，那么设置为COMMIT_ORDER 模式的话，从库也只能单线程执行。
同样地，由于 WRITESET_SESSION 模式要求在备库应用日志的时候，同一个线程的日志必须与主库上执行的先后顺序相同，也会导致主库单线程压力模式下退化成单线程复制。
所以，应该将 binlog-transaction-dependency-tracking 设置为 WRITESET。