【mysql进阶】MTS主从同步原理及实操指南（七）

0.引言

随着业务场景的深入和请求量的剧增，单库实现读写越来越趋近瓶颈，于是我们想到搭建主从库，主库负责写，从库负责读，从而实现读写分离，提高查询效率。

但是主从库之间的数据如何同步呢？很明显我们写入数据是只能通过主库操作的，因为我们要求的是主库负责写，从库负责读。我们知道binlog可以实现数据的备份和同步，那么我们是否可以通过它来实现主从同步呢？这就是我们接下来要讨论的了

1. 主从同步原理

1.1 基于binlog的主从同步原理

在正式开始讲解实操前，我们需要先了解其原理，否则只能做到知其然，而不知其所以然

什么是bin log？
bin log是我们实现主从同步的核心，同时也是我们实现数据备份、数据同步的基础，因此理解bin log是必须的。bin log本身其实就是一个二进制的日志文件，它用于记录数据表结构变化、数据变化。但是不会记录查询等操作，因为查询操作本质上不会引起数据变化。

binlog默认是关闭的，因为其本身的数据记录是会额外消耗性能的，因此我们如果不需要数据备份、同步。那么也不需要开启bin log。

binlog有三种记录模式：

（1）ROW: 行记录形式，会记录每一行的数据变化情况。优点是记得细，能够重现实现数据修改细节。缺点是会产生大量日志，消耗性能

（2）STATEMENT：状态记录形式，会记录每一条执行的SQL，然后通过SQL重放来实现数据同步。优点是节约资源，产生日志量会少很多，缺点是某些情况会导致数据不一致，比如执行的sql中

（3）MIXED：混合模式，一般情况使用STATEMENT，当STATEMENT不能满足的则自动切换为ROW进行记录

我们用一个例子来让大家理解ROW和STATEMENT的区别：

比如我现在执行的操作是 update user set level=5 where age>30。满足age>30的数据有10W条。那么statement模式记录的日志就是update user set level=5 where age>30，而row模式记录的日志则是
update user set level=5 where id=xxx1;
update user set level=5 where id=xxx2;
…
update user set level=5 where id=xxxN;
这里的xxxN就是age>30的行数据的id。也就是说它按照每行单独去记录变化情况

看到这里大家可能会觉得，那我就用MIXED呗，但是很多情况下，因为我们要实现主从同步，要保重主从库数据的一致性，必须要求使用ROW，才能完全体现数据变化的日志细节。

在了解了binlog之后，我们再来详细谈谈主从同步的原理细节

（1）主库将数据的变化写入到binlog中

（2）从库定期检测binlog文件是否有发生变化（检测是不需要读取文件详细内容的，可以通过文件最近修改时间和Etag来实现），如果有变化则开启一个IO线程来获取主库binlog数据

（3）同时主库会为每个IO线程启动一个dump线程，用于先IO线程发送二进制事件（也就是binlog日志数据）。发送获取的数据并不会直接给到从库进行重放，而是先放到一个中继日志（relay log）中，然后从库再从中继日志读取数据，进行重发，从而实现数据同步

（4）执行完成后，IO线程和dump线程进行睡眠状态，等待下一次数据同步再被唤醒

想象一下，数据同步过程中为什么需要中继日志，而不是让从库读取后直接重发？

中继日志的存在的目的是什么呢？这里大家发挥出自己的想象，结合以往我们所了解到的中间文件的作用，我们可以首先有一个很常见的作用：

（1）缓冲！让数据先放到中继文件中，攒够一波之后再统一处理，这样能减少IO，提高效率，这是很多中间文件的作用，但是并不是这里中继文件的作用！！！为什么？因为我们要求实时同步，等不了～ 所以攒够一波再处理的概念肯定是不通过的

（2）解耦！这才是中继文件真正的作用。我们利用发证法，假如没有中继日志，那么这个线程很明显要处理一条龙的服务，从读取binlog到重放binlog，这个操作会让这个线程很容易阻塞，因为重发sql时可能会涉及锁表、锁行的操作，不可避免的会造成一些延迟，因此我们读binlog的时候就不能重发，先将binlog实时同步过来，然后再单开一个SQL线程来重放binlog，这才是正确的处理方式。因此我们需要一个日志来帮我们先把同步的binlog记录一下，SQL线程就可以放心的做自己的重放工作，数据同步完成后中继日志会被删除。

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了解到这里，相信大家对主从同步的原理已然明了，最终咱们总结下这其中的几个关键词：bin log,relay log,io 线程,dump 线程,sql 线程，如果你能够解释出这些关键词的作用，说明你已经掌握其原理过程。

但是还有一个问题，咱们还没解决：

主从同步的延迟问题：

（1）主库在记录binlog时是顺序写，效率很高，而从库的SQL线程再重放binlog时，却并不是顺序的，而是随机的。

这里要理解为什么是随机的而不是顺序的？

这里的顺序和随机指的是磁盘IO的读写顺序和随机。因为写入binlog时，是预先申请好磁盘空间的，其空间是连续的，因此写入的binlog在磁盘物理位置上是挨在一起的，即是顺序的。而重发binlog时，相当于我们重新执行sql，其sql操作的数据存放位置基本上是不可能在磁盘中连续的，也就是说起存放位置随机分布，因此我们说是随机的。随机的读写相比较于顺序的读写所需耗费的时间肯定更多

（2）从库SQL线程在重放binlog时，当同时有查询操作出现时，可能会出现锁表、锁行等锁操作，那么就需要等待锁释放的时间，而SQL线程又是单线程的，IO线程依旧在同步binlog，SQL线程这边还在等待着，延迟自然而然就产生了

那么怎么解决延迟问题呢？

首先我们要把握问题发生且我们能够干预的关键点：

从库同步的慢，从而导致了延迟，同步慢的原因：一是同步时有查询操作或者同步本身的操作产生了锁竞争；二是服务器的本身性能问题，我们知道服务器性能越高的，各方面的执行效率肯定越高，基于以上两点，我们提出以下解决方案：

（1）从库使用更好的服务器，这样从库处理的速度更快，则延迟更小

（2）部署一主多从，减少从库的读取压力，提高查询效率，减少锁竞争，从而减少同步延迟

（3）使用缓存数据库，如redis，减少读压力

（4）多主多从，从业务上拆分成多个库，并且将各个库放到不同的服务器上，从而减少单库同步的压力

（5）部署集群，减少压力

以上的解决方案当然都是需要增加服务器成本的，那么有没有从根本上解决这个延迟问题的方案呢？这就是mysql在5.7版本后做出的优化了，也就是我们下面要讨论的MTS主从同步原理

1.2 MTS主从同步原理

MTS：Multi-Threaded Slave，并行复制，实际上早在mysql5.6版本时就有基于库的并行复制，但是5.6版本的基于库的并行复制的性能并不高，当只有一个库时，其性能甚至还不如单线程，因此5.7版本时，做出了优化，推出了真正的并行复制

MTS的核心概念在于多线程并行重放binlog，但是并不是所有的binlog都能并行重放，有些操作可能涉及锁竞争，那么就不能并行执行。

MTS中除了SQL线程，还创建了多个WORK线程，IO线程不断接收bin log，写入到relay log中，SQL线程读取relay log，并且判断哪些事件可以并行回放，哪些只能串行回放。并行回放的会分发给WORK线程并行回放。串行回放的就由SQL线程自己回放。

那么如何判定哪些事件可以并行回放？

通过组提交来实现，即对事务进行分组，我们认为一个组提交的事务都是可以并行回放的，那么怎么判定事务可以处于同一个组呢？那就是看主库中事务执行时，是否能够同时提交成功，或者说同时处于prepare阶段的所有事务，都是可以同时提交的

这里需要大家了解mysql事务两阶段提交的流程，简单来说就是一个事务提交完成是需要经历两个阶段的，事务执行，将数据更新到内容后，会先写入redo log，这时事务处于prepare状态，再写入bin log，然后提交事务，并将redo log标注为commit状态，这样整个事务才算提交完成。经历了prepare,commit两个阶段

只要能同时处于prepare状态的事务，说明事务间是没有锁竞争的，那么就是可以并行执行的，同时也是可以并行回放的。如果有锁竞争的，那么该事务肯定要等待竞争事务先执行完，释放锁后才能执行，也就不可能同时处于prepare状态

所以我们接下来要解决的问题就是：

1、如何知道哪些事务处于prepare状态？

mysql5.7引入了两个变量

（1）sequence_number: 序列号，每个事务对应一个，顺序增长，当事务提交后便会得到自己的sequence_number

（2）last_committed: 表示事务提交时，上次事务提交的编号，事务进入prepare阶段后，会将自己的last_committed更新为上次提交事务的sequence_number，这样有相同last_committed的事务就是同一组。

这两个变量都会记录到bin log中，并且其作用域是文件范围内，也就是说换了一个bin log文件，其值就会从0开始计算。于是乎通过last_committed我们也就知道了哪些事务是同一组的。

2、在binlog中如何标注哪些事务是同一组的？

其实我们上面已经讲到了，是通过last_committed信息来标注，但这里我们要拓展一下，mysql5.7中将sequence_number和last_committed信息属于组提交信息，组提交信息是存放到GTID事件中的，每个事务会有自己的GTID事件。

GTID默认是关闭的，如果关闭时会讲组提交信息存放到匿名GTID事件中（Anonymous_Gtid），如果开启了，就会存储到每个事务自己的GTID事件中，每个事务执行前都会添加一个GTID事件，用于记录当前的全局事务ID

MTS并发复制流程

在了解了并发复制的原理后，我们再来整体的梳理一遍其流程：

（1）主库将数据的变化写入到binlog中

（2）从库定期检测binlog文件是否有发生变化，如果有变化则开启一个IO线程来获取主库binlog数据

（3）同时主库会为每个IO线程启动一个dump线程，用于先IO线程发送二进制事件（也就是binlog日志数据）。发送获取的数据并不会直接给到从库进行重放，而是先放到一个中继日志（relay log）中

（4）从库的SQL线程从relay log中读取事务后，会获取该事务的组信息，拿到sequence_number和last_committed

（5）从库会记录已经执行了的事务的sequence_number的最小值，将其存放到low water mark变量中，简称lwm

（6）lwm与取出事务的last_committed比较，如果last_committed比lwm更小，说明取出事务与当前执行组为同组（本组事务的sequence_number的最小值肯定大于last_committed）。则SQL线程会找到一个空闲的WORK线程，如果有空闲的，就会直接重放这个事务，如果没有空闲的，SQL线程就会处于等待状态，直到有一个空闲的WORK线程为止。

（7）如果last_committed等于大于lwm，则说明取出事务与当前执行组不是同一组，则取出事务需要等待。

如下图所示，当获取到事务4时，因为已经执行的事务的最小sequence_number是3，则lwm是3
而事务4的last_committed为3，是等于lwm的，则知道事务3和事务4不是一组

当继续执行到事务5时，因为已经执行过事务4了，则lwm=4，而事务5的last_committed=3，小于lwm，则事务5与事务4同组，可以并发复制

2. 主从同步实操

了解完主从同步的原理后，我们来实际演示下配置流程

2.1 环境准备

首先这里需要准备两台mysql服务器，一台作为主库，一台作为从库，我这里选用mysql8.0。并且创建一些数据库和表，添加一些数据进去作为同步测试

2.2 实操

1、因为是基于binlog的，需要在主从库都开启binlog，并且开启主库的GTID，修改主库配置文件

sudo vim /etc/my.cnf

修改内容

log-bin=mysql-bin #二进制文件名称
binlog-format=ROW  #二进制日志格式
server-id=1	 #要求各个服务器的id必须不一样

gtid_mode=ON # 开启GTID
enforce_gtid_consistency=ON
log_slave_updates=ON

2、重启主库

service mysqld restart

3、查询binlog是否开启成功，登陆主库执行

show master status;

4、给连接主库进行数据同步的账号赋权，登陆主mysql执行：

grant replication slave on *.* to 'root'@'%';
# 刷新权限
flush privileges;

5、修改从库mysql配置文件

sudo vim /etc/my.cnf

修改内容

log-bin=mysql-bin # 开启bin log，配置binlog文件名
binlog-format=ROW  #二进制日志格式
server-id=2	 #要求各个服务器的id必须不一样

gtid_mode=ON # 开启GTID
enforce_gtid_consistency=ON
log_slave_updates=ON

slave-parallel-type=LOGICAL_CLOCK # 开启MTS相关配置，设置为LOGICAL_CLOCK实现更小粒度的并行复制
slave-parallel-workers=16 # work线程数
slave_pending_jobs_size_max = 2147483648
slave_preserve_commit_order=1 # 保证事务按照relay log记录的顺序回放，配合LOGICAL_CLOCK使用
master_info_repository=TABLE
relay_log_info_repository=TABLE
relay_log_recovery=ON

6、重启从库

service mysqld restart

7、声明主库，登陆从库执行：

# 登陆
mysql -uroot -p123456
#连接主服务器
change master to master_host='192.168.244.23',master_user='root',master_password='123456',master_port=3306,master_log_file='mysql-bin.000001',master_log_pos=157;
#启动slave
start slave;

8、查看从库状态

# 表格形式输出，适合在数据库连接工具中使用
show slave status;
# 行形式输出，适合在命令行窗口中使用
show slave status\G;

这里发现报错：Authentication plugin 'caching_sha2_password' reported error

根据报错信息来看是校验模式设置为了caching_sha2_password，我们登陆主库，查看一下

SELECT plugin FROM mysql.`user` where user = 'root';

果然是，修改其为mysql_native_password即可，执行

ALTER USER 'root'@'%' IDENTIFIED WITH mysql_native_password BY '123456';

同时因为我这里从库是根据主库服务器克隆来的，所以会导致两个mysql的uuid一致，因此也需要再更改一下，修改从库auto.cnf配置文件：

# 进入mysql安装目录
cd /var/lib/mysql
vim auto.cnf

将uuid修改得与之前不一致即可

修改完重启mysql

其次还需要注意，如果你之前没有开启GTID，中间产生了一些事务，而后续又开启了GTID，非GTID事务和GTID事务之间是不能同步的，这时就需要你将binlog的同步位置，调整到开启GTID之后

# 查询当前binlog位置，主库中执行
show master status;
# 从库中修改同步位置
stop slave;
change master to master_log_file='mysql-bin.000003',master_log_pos=197;
start slave;
# 查询slave状态
show slave status\G;

如图所示无报错即可

9、修改主库数据，任意修改了一条数据

10、查看从库对应的表数据

同步成功！！

总结

本期的分享就到此结束了，一定要亲自动手实操试试，只有自己尝试，才会发现更多的问题，才能掌握的更加牢靠

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