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:

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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。
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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:

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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,我就和你简单介绍一下。

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:

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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:

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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。

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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:

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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:

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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:

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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。

之前文章中,我和你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:
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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,我先和你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,我们还能看到GTID模式在读写分离场景的应用。

课后思考

你在GTID模式下设置主从关系的时候,从库执行start slave命令后,主库发现需要的binlog已经被删除掉了,导致主备创建不成功。这种情况下,你觉得可以怎么处理呢?

  1. 如果业务允许主从不一致的情况,那么可以在主库上先执行show global variables like ‘gtid_purged’,得到主库已经删除的GTID集合,假设是gtid_purged1;然后先在从库上执行reset master,再执行set global gtid_purged =‘gtid_purged1’;最后执行start slave,就会从主库现存的binlog开始同步。binlog缺失的那一部分,数据在从库上就可能会有丢失,造成主从不一致。
  2. 如果需要主从数据一致的话,最好还是通过重新搭建从库来做。
  3. 如果有其他的从库保留有全量的binlog的话,可以把新的从库先接到这个保留了全量binlog的从库,追上日志以后,如果有需要,再接回主库。
  4. 如果binlog有备份的情况,可以先在从库上应用缺失的binlog,然后再执行start slave。

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