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MariaDB半同步复制实现原理与变种分析

2024-02-185.6k 阅读

MariaDB半同步复制概述

在数据库高可用和数据冗余场景中，复制是一项关键技术。MariaDB 作为一款流行的开源数据库，其半同步复制（Semi - synchronous Replication）特性为数据一致性和系统可靠性提供了更强大的保障。与传统异步复制相比，半同步复制在一定程度上减少了数据丢失的风险。

在异步复制模式下，主库在执行完事务并将 binlog 写入文件后，就立即向客户端返回成功响应，而无需等待从库接收并应用该 binlog。这意味着在主库崩溃时，从库可能还未接收到最新的 binlog，从而导致数据丢失。半同步复制则要求主库在提交事务前，至少等待一个从库接收并写入中继日志（relay log），才向客户端返回成功响应。

MariaDB半同步复制实现原理

  1. 主库流程
    • 事务执行与 binlog 生成：当主库接收到客户端的事务请求时，首先执行事务逻辑。在事务执行完成后，主库将事务相关的操作记录写入二进制日志（binlog）。这个过程是数据库正常事务处理和日志记录的一部分。
    • 等待从库确认：在传统异步复制中，此时主库就会向客户端返回成功响应。但在半同步复制模式下，主库会等待至少一个从库确认已接收并写入中继日志。主库通过一个名为 rpl_semi_sync_master_wait_point 的变量来控制等待的时机，通常在事务提交前等待。
    • 超时机制：为了避免主库无限期等待从库的确认，半同步复制引入了超时机制。如果在 rpl_semi_sync_master_timeout（默认 10000 毫秒）时间内没有收到从库的确认，主库会切换回异步复制模式，继续向客户端返回成功响应，并将事务提交。这样可以保证系统在从库出现故障或网络延迟时仍能正常运行，不过会牺牲一定的数据一致性。
    • 从库确认处理：当主库收到从库的确认消息后，会检查确认的内容是否正确。如果确认无误，主库会完成事务提交，并向客户端返回成功响应。如果在等待期间主库收到多个从库的确认，主库会选择最早确认的从库作为有效确认。
  2. 从库流程
    • 接收 binlog：从库通过 I/O 线程连接到主库，从主库的二进制日志中读取新的事务记录，并将其写入本地的中继日志（relay log）。
    • 确认发送：一旦从库成功将接收到的 binlog 写入中继日志，就会向主库发送一个确认消息。这个确认消息包含了接收到的 binlog 的位置信息等，以便主库进行验证。
    • 应用中继日志：从库的 SQL 线程负责从中继日志中读取事务记录，并在从库上应用这些事务，从而保持与主库的数据一致性。在应用中继日志时，从库会按照事务记录的顺序依次执行，确保数据的正确性。

配置 MariaDB半同步复制

  1. 主库配置
    • 首先，在主库的配置文件（通常是 my.cnf）中添加或修改以下配置项：
[mysqld]
log - bin = /var/lib/mysql/mysql - bin.log
server - id = 1
rpl - semi - sync - master - enabled = 1
rpl - semi - sync - master - timeout = 10000
  • log - bin 配置项指定了二进制日志的存储路径。server - id 是主库的唯一标识，每个 MySQL 或 MariaDB 实例都必须有一个唯一的 server - id。rpl - semi - sync - master - enabled 开启主库的半同步复制功能，rpl - semi - sync - master - timeout 设置等待从库确认的超时时间（单位为毫秒）。
  • 配置完成后，重启 MariaDB 服务使配置生效。然后登录到 MariaDB 命令行，执行以下命令加载半同步复制插件：
INSTALL PLUGIN rpl_semi_sync_master SONAME'semisync_master.so';
  1. 从库配置
    • 在从库的 my.cnf 中添加或修改以下配置：
[mysqld]
server - id = 2
rpl - semi - sync - slave - enabled = 1
  • server - id 要设置为与主库不同的唯一值。rpl - semi - sync - slave - enabled 开启从库的半同步复制功能。重启 MariaDB 服务后，登录到从库的 MariaDB 命令行，加载半同步复制插件：
INSTALL PLUGIN rpl_semi_sync_slave SONAME'semisync_slave.so';
  • 接着配置从库连接主库的信息，假设主库的 IP 地址为 192.168.1.100，端口为 3306，用户名和密码分别为 repl_user 和 repl_password：
CHANGE MASTER TO
    MASTER_HOST='192.168.1.100',
    MASTER_USER='repl_user',
    MASTER_PASSWORD='repl_password',
    MASTER_LOG_FILE='mysql - bin.000001',
    MASTER_LOG_POS = 4;
  • 这里的 MASTER_LOG_FILE 和 MASTER_LOG_POS 需要根据主库的实际情况进行设置。可以通过在主库上执行 SHOW MASTER STATUS 命令获取。最后，启动从库复制：
START SLAVE;

MariaDB半同步复制变种分析

  1. 增强型半同步复制（Enhanced Semi - synchronous Replication）
    • 原理：增强型半同步复制在基本半同步复制的基础上进行了优化。它允许主库在等待从库确认时，继续处理新的事务请求。在这种模式下，主库会将事务记录缓存在内存中，直到收到从库的确认或者达到一定的条件（如缓存满、超时等）。这样可以提高系统的并发处理能力，减少主库因为等待从库确认而造成的性能瓶颈。
    • 实现方式：在 MariaDB 中，通过设置 rpl - semi - sync - master - wait - for - slaves - count 配置项来控制等待确认的从库数量。例如，设置为 2 表示主库需要等待至少两个从库的确认才提交事务。同时，通过调整 rpl - semi - sync - master - wait - no - slave 配置项，可以控制在没有从库连接时主库的行为。如果设置为 ON，主库在没有从库连接时会继续以异步模式运行；如果设置为 OFF，主库在没有从库连接时会停止接受新的事务。
  2. 多源半同步复制（Multi - Source Semi - synchronous Replication）
    • 原理：多源半同步复制允许从库同时从多个主库复制数据。在这种场景下，从库需要分别与每个主库建立半同步复制连接，并确保从每个主库接收到的事务都能正确应用。从库会维护多个 I/O 线程和 SQL 线程，分别处理来自不同主库的 binlog 和中继日志。
    • 配置示例：假设从库要从两个主库（主库 1：192.168.1.100，主库 2：192.168.1.101）复制数据。首先在从库配置文件中添加以下配置：
[mysqld]
server - id = 3
rpl - semi - sync - slave - enabled = 1
  • 然后登录到从库的 MariaDB 命令行，分别配置连接两个主库的信息：
CHANGE MASTER TO
    MASTER_HOST='192.168.1.100',
    MASTER_USER='repl_user_1',
    MASTER_PASSWORD='repl_password_1',
    MASTER_LOG_FILE='mysql - bin.000001',
    MASTER_LOG_POS = 4
    FOR CHANNEL'master1';

CHANGE MASTER TO
    MASTER_HOST='192.168.1.101',
    MASTER_USER='repl_user_2',
    MASTER_PASSWORD='repl_password_2',
    MASTER_LOG_FILE='mysql - bin.000001',
    MASTER_LOG_POS = 4
    FOR CHANNEL'master2';
  • 这里通过 FOR CHANNEL 子句为每个主库连接指定了一个唯一的通道名称。最后启动从库复制：
START SLAVE FOR CHANNEL'master1';
START SLAVE FOR CHANNEL'master2';
  1. 半同步复制与组复制（Semi - synchronous Replication and Group Replication）
    • 结合原理：组复制（Group Replication）是 MariaDB 提供的一种高可用和数据一致性解决方案，它通过多节点之间的共识算法来保证数据的一致性。半同步复制可以与组复制结合使用，进一步提高数据的可靠性。在组复制中，节点之间通过 Paxos 或 Raft 等共识算法达成一致，而半同步复制可以在节点之间的数据传输过程中提供额外的保障。例如，在组复制的主节点将数据复制到其他节点时，可以采用半同步复制的方式，确保至少有一个节点接收到并确认数据，从而减少数据丢失的风险。
    • 优势：这种结合方式不仅利用了组复制的高可用和自动故障转移特性，还借助半同步复制增强了数据一致性。在组内某个节点发生故障时，组复制可以快速选举出新的主节点，而半同步复制可以保证在故障转移过程中数据的完整性。同时，这种结合方式可以适应不同的应用场景，对于对数据一致性要求较高的场景，半同步复制可以提供更严格的数据保障；而组复制的自动故障转移功能可以保证系统的高可用性。

代码示例分析

  1. 监控半同步复制状态
    • 主库状态监控：在主库上，可以通过以下 SQL 语句查看半同步复制的状态：
SHOW STATUS LIKE 'Rpl_semi_sync_master%';
  • 例如，Rpl_semi_sync_master_clients 表示当前连接的半同步从库数量，Rpl_semi_sync_master_yes_tx 表示通过半同步方式提交的事务数量，Rpl_semi_sync_master_no_tx 表示因为超时等原因以异步方式提交的事务数量。
  • 从库状态监控：在从库上，使用以下 SQL 语句查看半同步复制状态：
SHOW STATUS LIKE 'Rpl_semi_sync_slave%';
  • Rpl_semi_sync_slave_status 表示从库的半同步复制状态，ON 表示已启用并正常工作，OFF 表示未启用或出现故障。
  1. 模拟半同步复制故障场景
    • 主库超时模拟：可以通过修改 rpl_semi_sync_master_timeout 参数来模拟主库等待从库确认超时的场景。首先，将超时时间设置为一个较小的值，例如 1000 毫秒（1 秒）：
SET GLOBAL rpl_semi_sync_master_timeout = 1000;
  • 然后在主库上执行一些事务操作，同时观察 Rpl_semi_sync_master_no_tx 状态变量的变化。如果在 1 秒内没有收到从库的确认，主库会以异步方式提交事务，Rpl_semi_sync_master_no_tx 的值会增加。
  • 从库故障模拟：可以通过停止从库的 I/O 线程来模拟从库故障。在从库上执行以下命令：
STOP SLAVE IO_THREAD;
  • 此时主库会等待从库的确认，由于从库无法接收和写入中继日志，主库可能会超时并切换回异步复制模式。可以通过观察主库的状态变量和日志文件来确认这种行为。
  1. 增强型半同步复制代码示例
    • 配置增强型半同步复制：在主库配置文件中，除了基本的半同步复制配置外，添加以下配置项：
[mysqld]
rpl - semi - sync - master - wait - for - slaves - count = 2
rpl - semi - sync - master - wait - no - slave = ON
  • 重启 MariaDB 服务后，登录到主库命令行，查看配置是否生效：
SHOW VARIABLES LIKE 'rpl_semi_sync_master_wait_for_slaves_count';
SHOW VARIABLES LIKE 'rpl_semi_sync_master_wait_no_slave';
  • 性能测试：可以使用一些数据库性能测试工具，如 Sysbench，在增强型半同步复制模式下对主库进行压力测试。例如，使用 Sysbench 执行事务测试：
sysbench --test = oltp --oltp - tables - count = 10 --oltp - table - size = 1000000 --mysql - user = root --mysql - password = root --mysql - socket = /var/run/mysqld/mysqld.sock run
  • 通过比较增强型半同步复制和基本半同步复制模式下的测试结果，可以分析增强型半同步复制对系统性能的影响。通常情况下，增强型半同步复制在并发事务较多的场景下可以提高系统的吞吐量，因为主库可以在等待从库确认时继续处理新的事务。
  1. 多源半同步复制代码示例
    • 添加新主库连接：假设已经配置了从库从一个主库（192.168.1.100）复制数据，现在要添加另一个主库（192.168.1.102）。首先在从库配置文件中确保 rpl - semi - sync - slave - enabled = 1 配置项已设置。然后登录到从库命令行，执行以下命令：
CHANGE MASTER TO
    MASTER_HOST='192.168.1.102',
    MASTER_USER='repl_user_3',
    MASTER_PASSWORD='repl_password_3',
    MASTER_LOG_FILE='mysql - bin.000001',
    MASTER_LOG_POS = 4
    FOR CHANNEL'master3';
  • 启动新通道复制：执行以下命令启动新通道的复制：
START SLAVE FOR CHANNEL'master3';
  • 监控多源复制状态：使用以下 SQL 语句监控多源半同步复制的状态：
SHOW SLAVE STATUS FOR CHANNEL'master1'\G;
SHOW SLAVE STATUS FOR CHANNEL'master2'\G;
SHOW SLAVE STATUS FOR CHANNEL'master3'\G;
  • 可以查看每个通道的 Seconds_Behind_Master 等状态信息，了解从库与主库之间的同步情况。如果某个通道出现延迟或故障，可以通过查看相关的日志文件和状态变量来定位问题。

通过对 MariaDB 半同步复制实现原理和变种的深入分析，以及相关代码示例的演示，我们可以更好地理解和应用这一重要的数据库复制技术，为构建高可用、数据一致性强的数据库系统提供有力支持。无论是在单主多从的简单架构，还是在复杂的多源复制和组复制场景中，半同步复制及其变种都能发挥重要作用，帮助我们在数据可靠性和系统性能之间找到平衡。在实际应用中，需要根据具体的业务需求和系统架构，合理配置和优化半同步复制相关参数，以确保数据库系统的稳定运行。同时，通过对各种故障场景的模拟和监控，及时发现和解决可能出现的问题，保障数据的完整性和系统的可用性。