理解MySQL——复制(Replication)

1、复制概述
1.1、复制解决的问题
数据复制技术有以下一些特点:
(1)    数据分布
(2)    负载平衡(load balancing)
(3)    备份
(4)    高可用性(high availability)和容错
1.2、复制如何工作
从高层来看,复制分成三步:
(1)    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);
(2)    slave将master的binary log events拷贝到它的中继日志(relay log);
(3)    slave重做中继日志中的事件,将改变反映它自己的数据。

下图描述了这一过程:

mysql03-1

该过程的第一部分就是master记录二进制日志。在每个事务更新数据完成之前,master在二日志记录这些改变。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。
下一步就是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处理该过程的最后一步。SQL线程从中继日志读取事件,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、体验MySQL复制
MySQL开始复制是很简单的过程,不过,根据特定的应用场景,都会在基本的步骤上有一些变化。最简单的场景就是一个新安装的master和slave,从高层来看,整个过程如下:
(1)在每个服务器上创建一个复制帐号;
(2)配置master和slave;
(3)Slave连接master开始复制。
2.1、创建复制帐号
每个slave使用标准的MySQL用户名和密码连接master。进行复制操作的用户会授予REPLICATION SLAVE权限。用户名的密码都会存储在文本文件master.info中。假如,你想创建repl用户,如下:
mysql> GRANT REPLICATION SLAVE, REPLICATION CLIENT ON *.*
-> TO repl@’192.168.0.%’ IDENTIFIED BY ‘p4ssword';
2.2、配置master
接下来对master进行配置,包括打开二进制日志,指定唯一的servr ID。例如,在配置文件加入如下值:
[mysqld]
log-bin=mysql-bin
server-id=10
重启master,运行SHOW MASTER STATUS,输出如下:

mysql03-2

2.3、配置slave
Slave的配置与master类似,你同样需要重启slave的MySQL。如下:
log_bin           = mysql-bin
server_id         = 2
relay_log         = mysql-relay-bin
log_slave_updates = 1
read_only         = 1
server_id是必须的,而且唯一。slave没有必要开启二进制日志,但是在一些情况下,必须设置,例如,如果slave为其它slave的master,必须设置bin_log。在这里,我们开启了二进制日志,而且显示的命名(默认名称为hostname,但是,如果hostname改变则会出现问题)。
relay_log配置中继日志,log_slave_updates表示slave将复制事件写进自己的二进制日志(后面会看到它的用处)。
有些人开启了slave的二进制日志,却没有设置log_slave_updates,然后查看slave的数据是否改变,这是一种错误的配置。所以,尽量使用read_only,它防止改变数据(除了特殊的线程)。但是,read_only并是很实用,特别是那些需要在slave上创建表的应用。

2.4、启动slave

接下来就是让slave连接master,并开始重做master二进制日志中的事件。你不应该用配置文件进行该操作,而应该使用CHANGE MASTER TO语句,该语句可以完全取代对配置文件的修改,而且它可以为slave指定不同的master,而不需要停止服务器。如下:

mysql> CHANGE MASTER TO MASTER_HOST=’server1′,

-> MASTER_USER=’repl’,

-> MASTER_PASSWORD=’p4ssword’,

-> MASTER_LOG_FILE=’mysql-bin.000001′,

-> MASTER_LOG_POS=0;

MASTER_LOG_POS的值为0,因为它是日志的开始位置。然后,你可以用SHOW SLAVE STATUS语句查看slave的设置是否正确:

mysql> SHOW SLAVE STATUS\G

*************************** 1. row ***************************

Slave_IO_State:

                Master_Host: server1

                Master_User: repl

                Master_Port: 3306

              Connect_Retry: 60

Master_Log_File: mysql-bin.000001

Read_Master_Log_Pos: 4

Relay_Log_File: mysql-relay-bin.000001

              Relay_Log_Pos: 4

Relay_Master_Log_File: mysql-bin.000001

Slave_IO_Running: No

Slave_SQL_Running: No

                             …omitted…

Seconds_Behind_Master: NULL

Slave_IO_State, Slave_IO_Running, 和Slave_SQL_Running表明slave还没有开始复制过程。日志的位置为4而不是0,这是因为0只是日志文件的开始位置,并不是日志位置。实际上,MySQL知道的第一个事件的位置是4。

为了开始复制,你可以运行:

mysql> START SLAVE;

运行SHOW SLAVE STATUS查看输出结果:

mysql> SHOW SLAVE STATUS\G

*************************** 1. row ***************************

Slave_IO_State: Waiting for master to send event

                Master_Host: server1

                Master_User: repl

                Master_Port: 3306

              Connect_Retry: 60

Master_Log_File: mysql-bin.000001

Read_Master_Log_Pos: 164

       Relay_Log_File: mysql-relay-bin.000001

              Relay_Log_Pos: 164

Relay_Master_Log_File: mysql-bin.000001

Slave_IO_Running: Yes

Slave_SQL_Running: Yes

                             …omitted…

Seconds_Behind_Master: 0

注意,slave的I/O和SQL线程都已经开始运行,而且Seconds_Behind_Master不再是NULL。日志的位置增加了,意味着一些事件被获取并执行了。如果你在master上进行修改,你可以在slave上看到各种日志文件的位置的变化,同样,你也可以看到数据库中数据的变化。

你可查看master和slave上线程的状态。在master上,你可以看到slave的I/O线程创建的连接:

mysql> show processlist \G

*************************** 1. row ***************************

Id: 1

User: root

Host: localhost:2096

db: test

Command: Query

Time: 0

State: NULL

Info: show processlist

*************************** 2. row ***************************

Id: 2

User: repl

Host: localhost:2144

db: NULL

Command: Binlog Dump

Time: 1838

State: Has sent all binlog to slave; waiting for binlog to be updated

Info: NULL

2 rows in set (0.00 sec)

行2为处理slave的I/O线程的连接。
在slave上运行该语句:

mysql> show processlist \G

*************************** 1. row ***************************

Id: 1

User: system user

Host:

db: NULL

Command: Connect

Time: 2291

State: Waiting for master to send event

Info: NULL

*************************** 2. row ***************************

Id: 2

User: system user

Host:

db: NULL

Command: Connect

Time: 1852

State: Has read all relay log; waiting for the slave I/O thread to update it

Info: NULL

*************************** 3. row ***************************

Id: 5

User: root

Host: localhost:2152

db: test

Command: Query

Time: 0

State: NULL

Info: show processlist

3 rows in set (0.00 sec)

行1为I/O线程状态,行2为SQL线程状态。
2.5、从另一个master初始化slave
前面讨论的假设你是新安装的master和slave,所以,slave与master有相同的数据。但是,大多数情况却不是这样的,例如,你的master可能已经运行很久了,而你想对新安装的slave进行数据同步,甚至它没有master的数据。
此时,有几种方法可以使slave从另一个服务开始,例如,从master拷贝数据,从另一个slave克隆,从最近的备份开始一个slave。Slave与master同步时,需要三样东西:
(1)master的某个时刻的数据快照;
(2)master当前的日志文件、以及生成快照时的字节偏移。这两个值可以叫做日志文件坐标(log file coordinate),因为它们确定了一个二进制日志的位置,你可以用SHOW MASTER STATUS命令找到日志文件的坐标;
(3)master的二进制日志文件。
可以通过以下几中方法来克隆一个slave:
(1)    冷拷贝(cold copy)
停止master,将master的文件拷贝到slave;然后重启master。缺点很明显。
(2)    热拷贝(warm copy)
如果你仅使用MyISAM表,你可以使用mysqlhotcopy拷贝,即使服务器正在运行。
(3)    使用mysqldump
使用mysqldump来得到一个数据快照可分为以下几步:
<1>锁表:如果你还没有锁表,你应该对表加锁,防止其它连接修改数据库,否则,你得到的数据可以是不一致的。如下:
mysql> FLUSH TABLES WITH READ LOCK;
<2>在另一个连接用mysqldump创建一个你想进行复制的数据库的转储:
shell> mysqldump –all-databases –lock-all-tables >dbdump.db
<3>对表释放锁。
mysql> UNLOCK TABLES;
3、深入复制
已经讨论了关于复制的一些基本东西,下面深入讨论一下复制。
3.1、基于语句的复制(Statement-Based Replication)
MySQL 5.0及之前的版本仅支持基于语句的复制(也叫做逻辑复制,logical replication),这在数据库并不常见。master记录下改变数据的查询,然后,slave从中继日志中读取事件,并执行它,这些SQL语句与master执行的语句一样。
这种方式的优点就是实现简单。此外,基于语句的复制的二进制日志可以很好的进行压缩,而且日志的数据量也较小,占用带宽少——例如,一个更新GB的数据的查询仅需要几十个字节的二进制日志。而mysqlbinlog对于基于语句的日志处理十分方便。
但是,基于语句的复制并不是像它看起来那么简单,因为一些查询语句依赖于master的特定条件,例如,master与slave可能有不同的时间。所以,MySQL的二进制日志的格式不仅仅是查询语句,还包括一些元数据信息,例如,当前的时间戳。即使如此,还是有一些语句,比如,CURRENT USER函数,不能正确的进行复制。此外,存储过程和触发器也是一个问题。
另外一个问题就是基于语句的复制必须是串行化的。这要求大量特殊的代码,配置,例如InnoDB的next-key锁等。并不是所有的存储引擎都支持基于语句的复制。
3.2、基于记录的复制(Row-Based Replication)
MySQL增加基于记录的复制,在二进制日志中记录下实际数据的改变,这与其它一些DBMS的实现方式类似。这种方式有优点,也有缺点。优点就是可以对任何语句都能正确工作,一些语句的效率更高。主要的缺点就是二进制日志可能会很大,而且不直观,所以,你不能使用mysqlbinlog来查看二进制日志。
对于一些语句,基于记录的复制能够更有效的工作,如:
mysql> INSERT INTO summary_table(col1, col2, sum_col3)
    -> SELECT col1, col2, sum(col3)
    -> FROM enormous_table
-> GROUP BY col1, col2;
假设,只有三种唯一的col1和col2的组合,但是,该查询会扫描原表的许多行,却仅返回三条记录。此时,基于记录的复制效率更高。
另一方面,下面的语句,基于语句的复制更有效:
mysql> UPDATE enormous_table SET col1 = 0;
此时使用基于记录的复制代价会非常高。由于两种方式不能对所有情况都能很好的处理,所以,MySQL 5.1支持在基于语句的复制和基于记录的复制之前动态交换。你可以通过设置session变量binlog_format来进行控制。
3.3、复制相关的文件
除了二进制日志和中继日志文件外,还有其它一些与复制相关的文件。如下:
(1)mysql-bin.index
服务器一旦开启二进制日志,会产生一个与二日志文件同名,但是以.index结尾的文件。它用于跟踪磁盘上存在哪些二进制日志文件。MySQL用它来定位二进制日志文件。它的内容如下(我的机器上):
mysql03-3
(2)mysql-relay-bin.index
该文件的功能与mysql-bin.index类似,但是它是针对中继日志,而不是二进制日志。内容如下:
.\mysql-02-relay-bin.000017
.\mysql-02-relay-bin.000018
(3)master.info
保存master的相关信息。不要删除它,否则,slave重启后不能连接master。内容如下(我的机器上):
mysql03-4

I/O线程更新master.info文件,内容如下(我的机器上):

.\mysql-02-relay-bin.000019

254

mysql-01-bin.000010

286

0

52813

(4)relay-log.info
包含slave中当前二进制日志和中继日志的信息。

3.4、发送复制事件到其它slave
当设置log_slave_updates时,你可以让slave扮演其它slave的master。此时,slave把SQL线程执行的事件写进行自己的二进制日志(binary log),然后,它的slave可以获取这些事件并执行它。如下:
mysql03-5

3.5、复制过滤(Replication Filters)
复制过滤可以让你只复制服务器中的一部分数据,有两种复制过滤:在master上过滤二进制日志中的事件;在slave上过滤中继日志中的事件。如下:

mysql03-6

4、复制的常用拓扑结构
复制的体系结构有以下一些基本原则:
(1)    每个slave只能有一个master;
(2)    每个slave只能有一个唯一的服务器ID;
(3)    每个master可以有很多slave;
(4)    如果你设置log_slave_updates,slave可以是其它slave的master,从而扩散master的更新。

MySQL不支持多主服务器复制(Multimaster Replication)——即一个slave可以有多个master。但是,通过一些简单的组合,我们却可以建立灵活而强大的复制体系结构。

4.1、单一master和多slave
由一个master和一个slave组成复制系统是最简单的情况。Slave之间并不相互通信,只能与master进行通信。如下:
mysql03-7
如果写操作较少,而读操作很时,可以采取这种结构。你可以将读操作分布到其它的slave,从而减小master的压力。但是,当slave增加到一定数量时,slave对master的负载以及网络带宽都会成为一个严重的问题。
这种结构虽然简单,但是,它却非常灵活,足够满足大多数应用需求。一些建议:
(1)    不同的slave扮演不同的作用(例如使用不同的索引,或者不同的存储引擎);
(2)    用一个slave作为备用master,只进行复制;
(3)    用一个远程的slave,用于灾难恢复;
4.2、主动模式的Master-Master(Master-Master in Active-Active Mode)
Master-Master复制的两台服务器,既是master,又是另一台服务器的slave。如图:
mysql03-8

主动的Master-Master复制有一些特殊的用处。例如,地理上分布的两个部分都需要自己的可写的数据副本。这种结构最大的问题就是更新冲突。假设一个表只有一行(一列)的数据,其值为1,如果两个服务器分别同时执行如下语句:
在第一个服务器上执行:
mysql> UPDATE tbl SET col=col + 1;
在第二个服务器上执行:
mysql> UPDATE tbl SET col=col * 2;
那么结果是多少呢?一台服务器是4,另一个服务器是3,但是,这并不会产生错误。
实际上,MySQL并不支持其它一些DBMS支持的多主服务器复制(Multimaster Replication),这是MySQL的复制功能很大的一个限制(多主服务器的难点在于解决更新冲突),但是,如果你实在有这种需求,你可以采用MySQL Cluster,以及将Cluster和Replication结合起来,可以建立强大的高性能的数据库平台。但是,可以通过其它一些方式来模拟这种多主服务器的复制。

4.3、主动-被动模式的Master-Master(Master-Master in Active-Passive Mode)
这是master-master结构变化而来的,它避免了M-M的缺点,实际上,这是一种具有容错和高可用性的系统。它的不同点在于其中一个服务只能进行只读操作。如图:
mysql03-9
4.4、带从服务器的Master-Master结构(Master-Master with Slaves)
这种结构的优点就是提供了冗余。在地理上分布的复制结构,它不存在单一节点故障问题,而且还可以将读密集型的请求放到slave上。
mysql03-10

主要参考:《High Performance MySQL》

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