MariaDB复制实现原理与关键数据结构

MariaDB 复制概述

MariaDB 复制是一种数据同步机制，它允许将一个 MariaDB 数据库服务器（主服务器）的数据更改复制到一个或多个其他 MariaDB 数据库服务器（从服务器）。这种机制在提高系统可用性、负载均衡以及数据备份等方面具有重要作用。

从基本概念上来说，主服务器将数据更改记录到二进制日志（binary log）中，从服务器通过读取主服务器的二进制日志并在本地重放这些更改来保持与主服务器的数据同步。

复制涉及的关键组件

二进制日志（Binary Log）：主服务器使用二进制日志记录所有可能影响数据的更改操作，例如 INSERT、UPDATE、DELETE 语句，以及数据定义语言（DDL）语句，如 CREATE、ALTER 等。二进制日志以事件（event）的形式记录这些更改，每个事件包含了足够的信息来在其他服务器上重放该操作。
中继日志（Relay Log）：从服务器使用中继日志来暂存从主服务器读取的二进制日志事件。当从服务器连接到主服务器并开始复制时，它会将主服务器的二进制日志事件下载到本地的中继日志中，然后按顺序重放这些事件以更新本地数据。
I/O 线程（I/O Thread）：从服务器上的 I/O 线程负责与主服务器建立连接，并从主服务器的二进制日志中读取事件，然后将这些事件写入本地的中继日志。I/O 线程持续运行，不断检查主服务器是否有新的事件可用。
SQL 线程（SQL Thread）：从服务器上的 SQL 线程负责读取中继日志中的事件，并在本地数据库上执行这些事件，从而使从服务器的数据与主服务器保持同步。SQL 线程按照事件在中继日志中的顺序依次执行，确保数据的一致性。

MariaDB 复制实现原理

主服务器端
- 日志记录：当主服务器上执行一个数据更改操作时，例如执行以下 INSERT 语句：

INSERT INTO users (name, age) VALUES ('John', 30);

主服务器会将这个操作记录到二进制日志中。具体来说，会生成一个对应的 `WRITE_ROWS_EVENT` 事件（对于 `INSERT` 操作），该事件包含了插入的数据行以及相关的元数据，如数据库名、表名等信息。
- **日志发送**：当从服务器连接到主服务器请求复制时，主服务器会根据从服务器提供的二进制日志位置信息（通常是文件名和偏移量），从该位置开始发送二进制日志事件给从服务器。主服务器通过网络连接将这些事件逐个发送给从服务器的 I/O 线程。

2. 从服务器端 - I/O 线程操作：从服务器的 I/O 线程接收来自主服务器的二进制日志事件，并将它们写入本地的中继日志。例如，如果接收到上述 INSERT 操作对应的 WRITE_ROWS_EVENT 事件，I/O 线程会将该事件完整地写入中继日志文件中。假设中继日志文件名为 relay - log.000001，I/O 线程会将事件追加到该文件末尾。 - SQL 线程操作：SQL 线程会定期检查中继日志，从中读取事件并在本地数据库上执行。当 SQL 线程读取到 WRITE_ROWS_EVENT 事件时，它会解析事件中的数据，然后在本地的 users 表中执行相同的 INSERT 操作：

INSERT INTO users (name, age) VALUES ('John', 30);

这样就实现了从服务器数据与主服务器数据的同步。

关键数据结构

二进制日志事件结构：二进制日志中的每个事件都有一个特定的结构。以 WRITE_ROWS_EVENT 为例，其结构大致如下：

struct WRITE_ROWS_EVENT {
    // 事件头，包含一些通用信息，如事件类型、事件长度等
    struct binlog_event_header header;
    // 表定义相关信息，如数据库名、表名等
    struct table_map_event *table_map;
    // 实际插入的行数
    uint32_t number_of_rows;
    // 指向插入数据行的指针数组
    char **rows;
};

这个结构使得主服务器能够准确记录数据更改操作，并且从服务器可以根据该结构解析并正确重放事件。 2. 中继日志结构：中继日志的结构与二进制日志类似，它也由一系列事件组成。每个中继日志文件（如 relay - log.000001）包含多个中继日志事件。中继日志事件的格式与二进制日志事件格式基本相同，只是在某些元数据方面可能会有所差异，例如中继日志事件可能会包含从主服务器接收事件的时间戳等信息。 3. 复制相关的连接结构：在从服务器与主服务器建立连接进行复制时，会涉及到一些连接相关的数据结构。例如，从服务器会维护一个连接结构体，用于存储与主服务器的连接信息，如主服务器的 IP 地址、端口号、用户名、密码等。同时，在连接过程中，还会使用一些缓冲区结构来暂存从主服务器接收的数据，以便进行进一步处理。以下是一个简化的连接结构体示例：

struct replication_connection {
    char *master_ip;
    uint16_t master_port;
    char *username;
    char *password;
    // 用于暂存接收数据的缓冲区
    char buffer[BUFFER_SIZE];
    // 连接状态标志
    enum connection_status status;
};

复制位点信息结构：从服务器需要记录当前复制的位点信息，即当前已经处理到主服务器二进制日志的哪个位置。这个信息通常包括二进制日志文件名和文件内的偏移量。以下是一个简单的位点信息结构体示例：

struct replication_position {
    char *log_file;
    uint64_t log_pos;
};

从服务器在每次读取主服务器二进制日志事件并成功处理后，会更新这个位点信息。下次连接主服务器时，会将该位点信息发送给主服务器，主服务器则从该位置开始继续发送后续的二进制日志事件。

配置 MariaDB 复制示例

主服务器配置
- 编辑 MariaDB 配置文件（通常为 /etc/my.cnf 或 /etc/mariadb.cnf），添加或修改以下配置项：

[mysqld]
log - bin = /var/lib/mysql/mysql - bin.log
server - id = 1

这里 log - bin 指定了二进制日志的存储路径和文件名前缀，server - id 是主服务器的唯一标识符，必须是一个正整数且在整个复制环境中唯一。 - 重启 MariaDB 服务使配置生效：

sudo systemctl restart mariadb

- 创建用于复制的用户，并授予 `REPLICATION SLAVE` 权限：

CREATE USER'replication_user'@'%' IDENTIFIED BY 'password';
GRANT REPLICATION SLAVE ON *.* TO'replication_user'@'%';
FLUSH PRIVILEGES;

- 获取主服务器的二进制日志位点信息：

SHOW MASTER STATUS;

执行上述命令后，会得到类似如下结果：

+------------------+----------+--------------+------------------+-------------------+
| File             | Position | Binlog_Do_DB | Binlog_Ignore_DB | Executed_Gtid_Set |
+------------------+----------+--------------+------------------+-------------------+
| mysql - bin.000001 | 154      |              |                  |                   |
+------------------+----------+--------------+------------------+-------------------+

记录下 File 和 Position 的值，后续从服务器配置时会用到。 2. 从服务器配置 - 编辑 MariaDB 配置文件，添加或修改以下配置项：

[mysqld]
server - id = 2

server - id 同样必须是唯一的正整数，这里设置为 2。 - 重启 MariaDB 服务：

sudo systemctl restart mariadb

- 配置从服务器连接主服务器并设置复制位点：

CHANGE MASTER TO
    MASTER_HOST ='master_ip',
    MASTER_USER ='replication_user',
    MASTER_PASSWORD = 'password',
    MASTER_LOG_FILE ='mysql - bin.000001',
    MASTER_LOG_POS = 154;

将 master_ip 替换为主服务器的实际 IP 地址，MASTER_LOG_FILE 和 MASTER_LOG_POS 替换为前面在主服务器上获取的值。 - 启动从服务器复制：

START SLAVE;

- 检查从服务器复制状态：

SHOW SLAVE STATUS \G;

确保 Slave_IO_Running 和 Slave_SQL_Running 都为 Yes，并且 Seconds_Behind_Master 为 0 或一个较小的值，这表示从服务器复制正常运行且与主服务器同步良好。

复制过程中的故障处理与恢复

网络故障：如果在复制过程中发生网络故障，从服务器的 I/O 线程会检测到连接中断。当网络恢复后，从服务器的 I/O 线程会尝试重新连接主服务器。它会使用之前记录的复制位点信息，从上次中断的位置继续读取主服务器的二进制日志。例如，如果在读取 mysql - bin.000001 文件的偏移量 500 处中断，网络恢复后，I/O 线程会向主服务器请求从该位置开始的二进制日志事件。
主服务器故障：如果主服务器发生故障，首先需要确定故障原因并尝试修复。如果主服务器可以恢复，在其恢复后，从服务器可以重新连接并继续复制。但如果主服务器的数据丢失或损坏，可能需要从备份中恢复主服务器的数据，并重新配置从服务器进行复制。在重新配置时，需要确保从服务器获取到主服务器恢复后的正确二进制日志位点信息。
从服务器故障：当从服务器发生故障时，如果中继日志没有损坏，在从服务器恢复后，可以直接启动复制，SQL 线程会从中继日志中未处理的位置继续执行事件。但如果中继日志损坏，可能需要从主服务器重新获取二进制日志事件。可以通过停止从服务器复制，重新设置 CHANGE MASTER TO 语句，然后重新启动复制来实现。

高级复制特性与优化

半同步复制：半同步复制是 MariaDB 提供的一种增强型复制机制。在普通异步复制中，主服务器在将二进制日志事件写入日志后就立即返回给客户端，而不管从服务器是否已经接收并处理这些事件。半同步复制则要求主服务器在至少有一个从服务器确认接收到事件后才返回给客户端。这可以提高数据的安全性和一致性。
- 配置半同步复制：
  - 在主服务器上，安装半同步复制插件：

INSTALL PLUGIN rpl_semi_sync_master SONAME'semisync_master.so';

    - 启用半同步复制：

SET GLOBAL rpl_semi_sync_master_enabled = 1;

    - 在从服务器上，安装半同步复制插件：

INSTALL PLUGIN rpl_semi_sync_slave SONAME'semisync_slave.so';

    - 启用半同步复制：

SET GLOBAL rpl_semi_sync_slave_enabled = 1;

    - 重启从服务器的 I/O 线程使配置生效：

STOP SLAVE IO_THREAD;
START SLAVE IO_THREAD;

多线程复制：从 MariaDB 10.0 版本开始支持多线程复制。在传统的单线程复制中，SQL 线程一次只能处理一个中继日志事件，这在高负载情况下可能会成为性能瓶颈。多线程复制允许 SQL 线程将不同的事件分配到多个工作线程中并行处理，从而提高复制性能。
- 配置多线程复制：
  - 编辑 MariaDB 配置文件，添加或修改以下配置项：

[mysqld]
slave - parallel - type = LOGICAL_CLOCK
slave - parallel - workers = 4

这里 slave - parallel - type 设置为 LOGICAL_CLOCK 表示使用逻辑时钟方式进行并行复制，slave - parallel - workers 设置为 4 表示启用 4 个工作线程。 - 重启 MariaDB 服务使配置生效。

总结 MariaDB 复制的优势与应用场景

优势
- 数据冗余与备份：通过将数据复制到多个从服务器，提供了数据的冗余备份，降低了数据丢失的风险。即使主服务器发生故障，也可以快速切换到从服务器继续提供服务。
- 负载均衡：可以将读操作分发到多个从服务器上，减轻主服务器的负载，提高系统的整体性能和并发处理能力。
- 数据一致性：通过复制机制，确保了多个服务器之间数据的一致性，对于需要在多个节点上保持相同数据的应用场景非常重要。
应用场景
- 网站应用：在大型网站中，通常会有大量的读操作，如用户浏览商品、查看文章等。可以将读请求分发到多个从服务器上，而写操作（如用户下单、评论等）则在主服务器上执行，通过复制来保持数据同步。
- 数据仓库：在数据仓库环境中，需要将生产数据库中的数据复制到数据仓库服务器中进行分析处理。MariaDB 复制可以方便地实现这种数据同步，确保数据仓库中的数据与生产数据库的一致性。
- 异地灾备：在不同地理位置部署从服务器，可以实现异地灾备。当本地数据中心发生灾难时，异地的从服务器可以迅速接管服务，保证业务的连续性。

通过深入理解 MariaDB 复制的实现原理、关键数据结构以及相关配置和优化方法，可以更好地利用这一强大的功能，构建高可用、高性能的数据库系统。无论是小型企业应用还是大型互联网项目，MariaDB 复制都能在数据管理和系统架构方面发挥重要作用。同时，随着技术的不断发展，MariaDB 复制也在不断演进，未来可能会出现更多更强大的特性和优化方式，开发者和运维人员需要持续关注并学习。