MySQL是怎么保证高可用的？

  • 主备延迟
  • 主备延迟的来源
  • 备库所在机器的性能要比主库所在的机器性能差
  • 备库压力大
  • 主库执行大事务
  • 备库并行复制能力
  • 可靠性优先策略
  • 可用性优先策略


抛出问题：正常情况下，只要主库执行更新生成的所有 binlog，都可以传到备库并被正确地执行，备库就能达到跟主库一致的状态，这就是最终一致性。但是，MySQL 要提供高可用能力，只有最终一致性是不够的。如果主备同步延迟很高呢？

主备延迟

主备切换可能是一个主动运维动作，比如软件升级、主库所在机器按计划下线等，也可能是被动操作，比如主库所在机器掉电。
先介绍一个概念，“同步延迟”。与数据同步有关的时间点主要包括以下三个：

  • 主库 A 执行完成一个事务，写入 binlog，我们把这个时刻记为 T1;
  • 之后传给备库 B，我们把备库 B 接收完这个 binlog 的时刻记为 T2;
  • 备库 B 执行完成这个事务，我们把这个时刻记为 T3。

所谓主备延迟，就是同一个事务，在备库执行完成的时间和主库执行完成的时间之间的差值，也就是 T3-T1。
你可以在备库上执行 show slave status 命令，它的返回结果里面会显示 seconds_behind_master，用于表示当前备库延迟了多少秒。seconds_behind_master 的计算方法是这样的：

  • 每个事务的 binlog 里面都有一个时间字段，用于记录主库上写入的时间；
  • 备库取出当前正在执行的事务的时间字段的值，计算它与当前系统时间的差值，得到 seconds_behind_master。

如果主备库机器的系统时间设置不一致，会不会导致主备延迟的值不准？
其实不会的。因为，备库连接到主库的时候，会通过执行 SELECT UNIX_TIMESTAMP() 函数来获得当前主库的系统时间。如果这时候发现主库的系统时间与自己不一致，备库在执行 seconds_behind_master 计算的时候会自动扣掉这个差值。

网络正常情况下，主备延迟的主要来源是备库接收完 binlog 和执行完这个事务之间的时间差。所以说，主备延迟最直接的表现是，备库消费中转日志（relay log）的速度，比主库生产 binlog 的速度要慢。

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图 1 MySQL 主备切换流程 -- 双 M 结构

主备延迟的来源

备库所在机器的性能要比主库所在的机器性能差

情景：反正备库没有请求，所以可以用差一点儿的机器。或者，他们会把 20 个主库放在 4 台机器上，而把备库集中在一台机器上。其实，更新请求对 IOPS 的压力，在主库和备库上是无差别的。所以，做这种部署时，一般都会将备库设置为“非双 1”的模式。

但实际上，更新过程中也会触发大量的读操作。所以，当备库主机上的多个备库都在争抢资源的时候，就可能会导致主备延迟了。因为主备可能发生切换，备库随时可能变成主库，所以主备库选用相同规格的机器，并且做对称部署，是现在比较常见的情况。

备库压力大

做了对称部署以后，还可能会有延迟。这是为什么呢？
情景：主库既然提供了写能力，那么备库可以提供一些读能力。或者一些运营后台需要的分析语句，不能影响正常业务，所以只能在备库上跑。由于主库直接影响业务，大家使用起来会比较克制，反而忽视了备库的压力控制。结果就是，备库上的查询耗费了大量的 CPU 资源，影响了同步速度，造成主备延迟。

这种情况，我们一般可以这么处理：

  • （推荐）一主多从。除了备库外，可以多接几个从库，让这些从库来分担读的压力。
  • 通过 binlog 输出到外部系统，比如 Hadoop 这类系统，让外部系统提供统计类查询的能力。

其中，一主多从的方式大都会被采用。因为作为数据库系统，还必须保证有定期全量备份的能力。而从库，就很适合用来做备份。

主库执行大事务

采用了一主多从，保证备库的压力不会超过主库，还有什么情况可能导致主备延迟吗？
因为主库上必须等事务执行完成才会写入 binlog，再传给备库。所以，如果一个主库上的语句执行 10 分钟，那这个事务很可能就会导致从库延迟 10 分钟。

情景：一些归档类的数据，平时没有注意删除历史数据，等到空间快满了，业务开发人员要一次性地删掉大量历史数据。同时，又因为要避免在高峰期操作会影响业务（至少有这个意识还是很不错的），所以会在晚上执行这些大量数据的删除操作。DBA 团队就要求你后续再删除数据的时候，要控制每个事务删除的数据量，分成多次删除。
另一种典型的大事务场景，就是大表 DDL。这个场景处理方案就是，计划内的 DDL，建议使用 gh-ost 方案。

备库并行复制能力

如果主库上也不做大事务了，还有什么原因会导致主备延迟吗？
造成主备延迟还有一个大方向的原因，就是备库的并行复制能力。下一篇文章进行详细讲解。

可靠性优先策略

在图 1 的双 M 结构下，从状态 1 到状态 2 切换的详细过程是这样的：

  • 判断备库 B 现在的 seconds_behind_master，如果小于某个值（比如 5 秒）继续下一步，否则持续重试这一步；
  • 把主库 A 改成只读状态，即把 readonly 设置为 true；
  • 判断备库 B 的 seconds_behind_master 的值，直到这个值变成 0 为止；
  • 把备库 B 改成可读写状态，也就是把 readonly 设置为 false；
  • 把业务请求切到备库 B。

这个切换流程，一般是由专门的 HA 系统来完成的，我们暂时称之为可靠性优先流程。

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图 2 MySQL 可靠性优先主备切换流程

因为在步骤 2 之后，主库 A 和备库 B 都处于 readonly 状态，也就是说这时系统处于不可写状态，直到步骤 5 完成后才能恢复。在这个不可用状态中，比较耗费时间的是步骤 3，可能需要耗费好几秒的时间。这也是为什么需要在步骤 1 先做判断，确保 seconds_behind_master 的值足够小。你也可以选择可用性优先的策略，来把这个不可用时间几乎降为 0。

可用性优先策略

如果我强行把步骤 4、5 调整到最开始执行，也就是说不等主备数据同步，直接把连接切到备库 B，并且让备库 B 可以读写，那么系统几乎就没有不可用时间了。我们把这个切换流程，暂时称作可用性优先流程。这个切换流程的代价，就是可能出现数据不一致的情况。

举个例子验证下：

mysql> CREATE TABLE t (
id int(11) unsigned NOT NULL AUTO_INCREMENT,
c int(11) unsigned DEFAULT NULL,
PRIMARY KEY (id)
) ENGINE=InnoDB;

insert into t(c) values(1),(2),(3);

然后继续执行命令：

insert into t(c) values(4);
insert into t(c) values(5);

假设，现在主库上其他的数据表有大量的更新，导致主备延迟达到 5 秒。在插入一条 c=4 的语句后，发起了主备切换。图 3 是可用性优先策略，且 binlog_format=mixed时的切换流程和数据结果。

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图 3 可用性优先策略，且 binlog_format=mixed

一起分析下这个切换流程：

  • 步骤 2 中，主库 A 执行完 insert 语句，插入了一行数据（4,4），之后开始进行主备切换。
  • 步骤 3 中，由于主备之间有 5 秒的延迟，所以备库 B 还没来得及应用“插入 c=4”这个中转日志，就开始接收客户端“插入 c=5”的命令。
  • 步骤 4 中，备库 B 插入了一行数据（4,5），并且把这个 binlog 发给主库 A。
  • 步骤 5 中，备库 B 执行“插入 c=4”这个中转日志，插入了一行数据（5,4）。而直接在备库 B 执行的“插入 c=5”这个语句，传到主库 A，就插入了一行新数据（5,5）。

主库 A 和备库 B 上出现了两行不一致的数据。可以看到，这个数据不一致，是由可用性优先流程导致的。那么，如果我还是用可用性优先策略，但设置 binlog_format=row，情况又会怎样呢？

结论：row 格式在记录 binlog 的时候，会记录新插入的行的所有字段值，所以最后只会有一行不一致。两边的主备同步的应用线程会报错 duplicate key error 并停止。

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图 4 可用性优先策略，且 binlog_format=row

可以看到一些结论：

  • 使用 row 格式的 binlog 时，数据不一致（少了数据）的问题更容易被发现。而使用 mixed 或者 statement 格式的 binlog 时，数据很可能悄悄地就不一致了。如果你过了很久才发现数据不一致的问题，很可能这时的数据不一致已经不可查，或者连带造成了更多的数据逻辑不一致。
  • 主备切换的可用性优先策略会导致数据不一致。因此，大多数情况下，我都建议你使用可靠性优先策略。毕竟对数据服务来说的话，数据的可靠性一般还是要优于可用性的。

按照可靠性优先的思路，异常切换会是什么效果？
假设，主库 A 和备库 B 间的主备延迟是 30 分钟，这时候主库 A 掉电了，HA 系统要切换 B 作为主库。我们在主动切换的时候，可以等到主备延迟小于 5 秒的时候再启动切换，但这时候已经别无选择了。

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图 5 可靠性优先策略，主库不可用

采用可靠性优先策略的话，你就必须得等到备库 B 的 seconds_behind_master=0 之后，才能切换。但现在的情况比刚刚更严重，并不是系统只读、不可写的问题了，而是系统处于完全不可用的状态。因为，主库 A 掉电后，我们的连接还没有切到备库 B。
你可能会问，那能不能直接切换到备库 B，但是保持 B 只读呢？
这样也不行。因为，这段时间内，中转日志还没有应用完成，如果直接发起主备切换，客户端查询看不到之前执行完成的事务，会认为有“数据丢失”。

虽然随着中转日志的继续应用，这些数据会恢复回来，但是对于一些业务来说，查询到“暂时丢失数据的状态”也是不能被接受的。在满足数据可靠性的前提下，MySQL 高可用系统的可用性，是依赖于主备延迟的。延迟的时间越小，在主库故障的时候，服务恢复需要的时间就越短，可用性就越高。