第二十三讲：MySQL是怎么保证主备一致的？

第二十三讲：MySQL是怎么保证主备一致的？

简概

开篇

​ 在前面的文章中，我不止一次地和你提到了 binlog，大家知道 binlog 可以用来归档，也可以用来做主备同步，但它的内容是什么样的呢？为什么备库执行了 binlog 就可以跟主库保持一致了呢？今天我就正式地和你介绍一下它。

毫不夸张地说，MySQL 能够成为现下最流行的开源数据库，binlog 功不可没。

​ 在最开始，MySQL 是以容易学习和方便的高可用架构，被开发人员青睐的。而它的几乎所有的高可用架构，都直接依赖于 binlog。虽然这些高可用架构已经呈现出越来越复杂的趋势，但都是从最基本的一主一备演化过来的。

​ 今天这篇文章我主要为你介绍主备的基本原理。理解了背后的设计原理，你也可以从业务开发的角度，来借鉴这些设计思想。

MySQL 主备的基本原理

​ 如图 1 所示就是基本的主备切换流程。

图 1 MySQL 主备切换流程

​ 在状态 1 中，客户端的读写都直接访问节点 A，而节点 B 是 A 的备库，只是将 A 的更新都同步过来，到本地执行。这样可以保持节点 B 和 A 的数据是相同的。当需要切换的时候，就切成状态 2。这时候客户端读写访问的都是节点 B，而节点 A 是 B 的备库。

​ 在状态 1 中，虽然节点 B 没有被直接访问，但是我依然建议你把节点 B（也就是备库）设置成只读（readonly）模式。这样做，有以下几个考虑：

有时候一些运营类的查询语句会被放到备库上去查，设置为只读可以防止误操作；防止切换逻辑有 bug，比如切换过程中出现双写，造成主备不一致；可以用 readonly 状态，来判断节点的角色。

​ 你可能会问，我把备库设置成只读了，还怎么跟主库保持同步更新呢？

​ 这个问题，你不用担心。因为 readonly 设置对超级 (super) 权限用户是无效的，而用于同步更新的线程，就拥有超级权限。接下来，我们再看看节点 A 到 B 这条线的内部流程是什么样的。

​ 图 2 中画出的就是一个 update 语句在节点 A 执行，然后同步到节点 B 的完整流程图。

图 2 主备流程图

​ 图 2 中，包含了我在上一篇文章中讲到的 binlog 和 redo log 的写入机制相关的内容，可以看到：主库接收到客户端的更新请求后，执行内部事务的更新逻辑，同时写 binlog。备库 B 跟主库 A 之间维持了一个长连接。主库 A 内部有一个线程，专门用于服务备库 B 的这个长连接。

​ 一个事务日志同步的完整过程是这样的：

1. 在备库 B 上通过 change master 命令，设置主库 A 的 IP、端口、用户名、密码，以及要从哪个位置开始请求 binlog，这个位置包含文件名和日志偏移量。

   文件名和日志偏移量后面要用到啊，记一下

2. 在备库 B 上执行 start slave 命令，这时候备库会启动两个线程，就是图中的 io_thread 和 sql_thread。其中 io_thread 负责与主库建立连接。

3. 主库 A 校验完用户名、密码后，开始按照备库 B 传过来的位置，从本地读取 binlog，发给 B。

4. 备库 B 拿到 binlog 后，写到本地文件，称为中转日志（relay log）。

5. sql_thread读取中转日志 ，解析出日志里的命令，并执行。

​ 这里需要说明，后来由于多线程复制方案的引入，sql_thread 演化成为了多个线程，跟我们今天要介绍的原理没有直接关系，暂且不展开。

​ 分析完了这个长连接的逻辑，我们再来看一个问题：binlog 里面到底是什么内容，为什么备库拿过去可以直接执行。

​ binlog 的三种格式对比我在第 15 篇答疑文章中，和你提到过 binlog 有两种格式，一种是 statement，一种是 row。可能你在其他资料上还会看到有第三种格式，叫作 mixed，其实它就是前两种格式的混合。为了便于描述 binlog 的这三种格式间的区别，我创建了一个表，并初始化几行数据。

mysql> CREATE TABLE `t` (`id` int(11) NOT NULL,`a` int(11) DEFAULT NULL,`t_modified` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,PRIMARY KEY (`id`),KEY `a` (`a`),KEY `t_modified`(`t_modified`)
) ENGINE=InnoDB;insert into t values(1,1,'2018-11-13');
insert into t values(2,2,'2018-11-12');
insert into t values(3,3,'2018-11-11');
insert into t values(4,4,'2018-11-10');
insert into t values(5,5,'2018-11-09');

​ 如果要在表中删除一行数据的话，我们来看看这个 delete 语句的 binlog 是怎么记录的。

​ 注意，下面这个语句包含注释，如果你用 MySQL 客户端来做这个实验的话，要记得加 -c 参数，否则客户端会自动去掉注释。

mysql> delete from t /*comment*/  where a>=4 and t_modified<='2018-11-10' limit 1;

​ 当 binlog_format=statement 时，binlog 里面记录的就是 SQL 语句的原文。你可以用

mysql> show binlog events in 'master.000001';

​ 命令看 binlog 中的内容。

注意

1. 首先要通过 show variables like 'log_%'; 查看 log_bin 是否为ON

2. 设置 binlog 格式：set binlog_format='STATEMENT';

3. 查看 binlog 格式：show variables like '%binlog_format%'; mysql> show binlog events;

只查看第一个binlog文件的内容 mysql> show binlog events in 'mysql-bin.000001';

获取binlog文件列表 mysql> show binary logs;

查看当前正在写入的binlog文件 mysql> show master status；

图 3 statement 格式 binlog 示例

​ 现在，我们来看一下图 3 的输出结果。

• 第一行 SET @@SESSION.GTID_NEXT='ANONYMOUS’你可以先忽略，后面文章我们会在介绍主备切换的时候再提到；

• 第二行是一个 BEGIN，跟第四行的 commit 对应，表示中间是一个事务；

• 第三行就是真实执行的语句了。可以看到，在真实执行的 delete 命令之前，还有一个“use ‘test’”命令。这条命令不是我们主动执行的，而是 MySQL 根据当前要操作的表所在的数据库，自行添加的。这样做可以保证日志传到备库去执行的时候，不论当前的工作线程在哪个库里，都能够正确地更新到 test 库的表 t。

  use 'test’命令之后的 delete 语句，就是我们输入的 SQL 原文了。可以看到，binlog“忠实”地记录了 SQL 命令，甚至连注释也一并记录了。

• 最后一行是一个 COMMIT。你可以看到里面写着 xid=61。你还记得这个 XID 是做什么用的吗？如果记忆模糊了，可以再回顾一下第 15 篇文章中的相关内容。

​ XID是用来联系bin log和redo log的。比如redo log里面有一个事务是prepare状态，但是不知道是不是commit状态，那就可以用XID去bin log里面查询该事务到底有没有提交。有提交则是commit状态，若没有提交则回滚该事务。

为了说明 statement 和 row 格式的区别，我们来看一下这条 delete 命令的执行效果图：

图 4 delete 执行 warnings

​ 可以看到，运行这条 delete 命令产生了一个 warning，原因是当前 binlog 设置的是 statement 格式，并且语句中有 limit，所以这个命令可能是 unsafe 的。

​ 为什么这么说呢？这是因为 delete 带 limit，很可能会出现主备数据不一致的情况。

​ 比如上面这个例子：

• 如果 delete 语句使用的是索引 a，那么会根据索引 a 找到第一个满足条件的行，也就是说删除的是 a=4 这一行；
• 但如果使用的是索引 t_modified，那么删除的就是 t_modified='2018-11-09’也就是 a=5 这一行。

​ 由于 statement 格式下，记录到 binlog 里的是语句原文，因此可能会出现这样一种情况：在主库执行这条 SQL 语句的时候，用的是索引 a；而在备库执行这条 SQL 语句的时候，却使用了索引 t_modified。因此，MySQL 认为这样写是有风险的。

​ 那么，如果我把 binlog 的格式改为 binlog_format=‘row’， 是不是就没有这个问题了呢？我们先来看看这时候 binog 中的内容吧。

图 5 row 格式 binlog

​ 示例可以看到，与 statement 格式的 binlog 相比，前后的 BEGIN 和 COMMIT 是一样的。但是，row 格式的 binlog 里没有了 SQL 语句的原文，而是替换成了两个 event：Table_map 和 Delete_rows。

​ Table_map event，用于说明接下来要操作的表是 test 库的表 t;Delete_rows event，用于定义删除的行为。其实，我们通过图 5 是看不到详细信息的，还需要借助 mysqlbinlog 工具，用下面这个命令解析和查看 binlog 中的内容。因为图 5 中的信息显示，这个事务的 binlog 是从 8900 这个位置开始的，所以可以用 start-position 参数来指定从这个位置的日志开始解析。

mysqlbinlog  -vv data/master.000001 --start-position=8900;

图 6 row 格式 binlog

​ 示例的详细信息

​ 从这个图中，我们可以看到以下几个信息：

• server id 1，表示这个事务是在 server_id=1 的这个库上执行的。
• 每个 event 都有 CRC32 的值，这是因为我把参数 binlog_checksum 设置成了 CRC32。

CRC32：是一种循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check）算法，用于生成校验码，已检测数据的完整性。

• Table_map event 跟在图 5 中看到的相同，显示了接下来要打开的表，map 到数字 226。现在我们这条 SQL 语句只操作了一张表，如果要操作多张表呢？每个表都有一个对应的 Table_map event、都会 map 到一个单独的数字，用于区分对不同表的操作。
• 我们在 mysqlbinlog 的命令中，使用了 -vv 参数是为了把内容都解析出来，所以从结果里面可以看到各个字段的值（比如，@1=4、 @2=4 这些值）。
• binlog_row_image 的默认配置是 FULL，因此 Delete_event 里面，包含了删掉的行的所有字段的值。如果把 binlog_row_image 设置为 MINIMAL，则只会记录必要的信息，在这个例子里，就是只会记录 id=4 这个信息。
• 最后的 Xid event，用于表示事务被正确地提交了。

​ 你可以看到，当 binlog_format 使用 row 格式的时候，binlog 里面记录了真实删除行的主键 id，这样 binlog 传到备库去的时候，就肯定会删除 id=4 的行，不会有主备删除不同行的问题。

为什么会有 mixed 格式的 binlog？

​ 基于上面的信息，我们来讨论一个问题：为什么会有 mixed 这种 binlog 格式的存在场景？推论过程是这样的：

​ 因为有些 statement 格式的 binlog 可能会导致主备不一致，所以要使用 row 格式。但 row 格式的缺点是，很占空间。比如你用一个 delete 语句删掉 10 万行数据，用 statement 的话就是一个 SQL 语句被记录到 binlog 中，占用几十个字节的空间。但如果用 row 格式的 binlog，就要把这10 万条记录都写到 binlog 中。这样做，不仅会占用更大的空间，同时写 binlog 也要耗费 IO 资源，影响执行速度。

​ 所以，MySQL 就取了个折中方案，也就是有了 mixed 格式的 binlog。mixed 格式的意思是，MySQL 自己会判断这条 SQL 语句是否可能引起主备不一致，如果有可能，就用 row 格式，否则就用 statement 格式。也就是说，mixed 格式可以利用 statment 格式的优点，同时又避免了数据不一致的风险。

​ 因此，如果你的线上 MySQL 设置的 binlog 格式是 statement 的话，那基本上就可以认为这是一个不合理的设置。你至少应该把 binlog 的格式设置为 mixed。比如我们这个例子，设置为 mixed 后，就会记录为 row 格式；而如果执行的语句去掉 limit 1，就会记录为 statement 格式。

​ 当然我要说的是，现在越来越多的场景要求把 MySQL 的 binlog 格式设置成 row。这么做的理由有很多，我来给你举一个可以直接看出来的好处：恢复数据。

​ 接下来，我们就分别从 delete、insert 和 update 这三种 SQL 语句的角度，来看看数据恢复的问题。通过图 6 你可以看出来，即使我执行的是 delete 语句，row 格式的 binlog 也会把被删掉的行的整行信息保存起来。

• 所以，如果你在执行完一条 delete 语句以后，发现删错数据了，可以直接把 binlog 中记录的 delete 语句转成 insert，把被错删的数据插入回去就可以恢复了。
• 如果你是执行错了 insert 语句呢？那就更直接了。row 格式下，insert 语句的 binlog 里会记录所有的字段信息，这些信息可以用来精确定位刚刚被插入的那一行。这时，你直接把 insert 语句转成 delete 语句，删除掉这被误插入的一行数据就可以了。
• 如果执行的是 update 语句的话，binlog 里面会记录修改前整行的数据和修改后的整行数据。所以，如果你误执行了 update 语句的话，只需要把这个 event 前后的两行信息对调一下，再去数据库里面执行，就能恢复这个更新操作了。

​ 其实，由 delete、insert 或者 update 语句导致的数据操作错误，需要恢复到操作之前状态的情况，也时有发生。

​ MariaDB 的Flashback工具就是基于上面介绍的原理来回滚数据的。虽然 mixed 格式的 binlog 现在已经用得不多了，但这里我还是要再借用一下 mixed 格式来说明一个问题，来看一下这条 SQL 语句：

mysql> insert into t values(10,10, now());

​ 如果我们把 binlog 格式设置为 mixed，你觉得 MySQL 会把它记录为 row 格式还是 statement 格式呢？先不要着急说结果，我们一起来看一下这条语句执行的效果

图 7 mixed 格式和 now()

​ 可以看到，MySQL 用的居然是 statement 格式。你一定会奇怪，如果这个 binlog 过了 1 分钟才传给备库的话，那主备的数据不就不一致了吗？接下来，我们再用 mysqlbinlog 工具来看看：

图 8 TIMESTAMP 命令

​ 从图中的结果可以看到，原来 binlog 在记录 event 的时候，多记了一条命令：SET TIMESTAMP=1546103491。

​ 它用 SET TIMESTAMP 命令约定了接下来的 now() 函数的返回时间。因此，不论这个 binlog 是 1 分钟之后被备库执行，还是 3 天后用来恢复这个库的备份，这个 insert 语句插入的行，值都是固定的。也就是说，通过这条 SET TIMESTAMP 命令，MySQL 就确保了主备数据的一致性。

​ 我之前看过有人在重放 binlog 数据的时候，是这么做的：用 mysqlbinlog 解析出日志，然后把里面的 statement 语句直接拷贝出来执行。你现在知道了，这个方法是有风险的。因为有些语句的执行结果是依赖于上下文命令的，直接执行的结果很可能是错误的。

​ 所以，用 binlog 来恢复数据的标准做法是，用 mysqlbinlog 工具解析出来，然后把解析结果整个发给 MySQL 执行。类似下面的命令：

mysqlbinlog master.000001  --start-position=2738 --stop-position=2973 | mysql -h127.0.0.1 -P13000 -u$user -p$pwd;

​ 这个命令的意思是，将 master.000001 文件里面从第 2738 字节到第 2973 字节中间这段内容解析出来，放到 MySQL 去执行。

循环复制问题

​ 通过上面对 MySQL 中 binlog 基本内容的理解，你现在可以知道，binlog 的特性确保了在备库执行相同的 binlog，可以得到与主库相同的状态。因此，我们可以认为正常情况下主备的数据是一致的。也就是说，图 1 中 A、B 两个节点的内容是一致的。其实，图 1 中我画的是 M-S 结构，但实际生产上使用比较多的是双 M 结构，也就是图 9 所示的主备切换流程。

图 9 MySQL 主备切换流程 -- 双 M 结构

​ 对比图 9 和图 1，你可以发现，双 M 结构和 M-S 结构，其实区别只是多了一条线，即：节点 A 和 B 之间总是互为主备关系。这样在切换的时候就不用再修改主备关系。但是，双 M 结构还有一个问题需要解决。

​ 业务逻辑在节点 A 上更新了一条语句，然后再把生成的 binlog 发给节点 B，节点 B 执行完这条更新语句后也会生成 binlog。（我建议你把参数 log_slave_updates 设置为 on，表示备库执行 relay log 后生成 binlog）。那么，如果节点 A 同时是节点 B 的备库，相当于又把节点 B 新生成的 binlog 拿过来执行了一次，然后节点 A 和 B 间，会不断地循环执行这个更新语句，也就是循环复制了。

​ 这个要怎么解决呢？从上面的图 6 中可以看到，MySQL 在 binlog 中记录了这个命令第一次执行时所在实例的 server id。

​ 因此，我们可以用下面的逻辑，来解决两个节点间的循环复制的问题：

1. 规定两个库的 server id 必须不同，如果相同，则它们之间不能设定为主备关系；

2. 一个备库接到 binlog 并在重放的过程中，生成与原 binlog 的 server id 相同的新的 binlog；

   这里是原先生成binlog的server id，不是本server id

3. 每个库在收到从自己的主库发过来的日志后，先判断 server id，如果跟自己的相同，表示这个日志是自己生成的，就直接丢弃这个日志。

​ 按照这个逻辑，如果我们设置了双 M 结构，日志的执行流就会变成这样：

1. 从节点 A 更新的事务，binlog 里面记的都是 A 的 server id；

2. 传到节点 B 执行一次以后，节点 B 生成的 binlog 的 server id 也是 A 的 server id；

3. 再传回给节点 A，A 判断到这个 server id 与自己的相同，就不会再处理这个日志。

   所以，死循环在这里就断掉了。

小结

​ 今天这篇文章，我给你介绍了 MySQL binlog 的格式和一些基本机制，是后面我要介绍的读写分离等系列文章的背景知识，希望你可以认真消化理解。binlog 在 MySQL 的各种高可用方案上扮演了重要角色。今天介绍的可以说是所有 MySQL 高可用方案的基础。在这之上演化出了诸如多节点、半同步、MySQL group replication 等相对复杂的方案。我也跟你介绍了 MySQL 不同格式 binlog 的优缺点，和设计者的思考。希望你在做系统开发时候，也能借鉴这些设计思想。

问答

​ 最后，我给你留下一个思考题吧。说到循环复制问题的时候，我们说 MySQL 通过判断 server id 的方式，断掉死循环。但是，这个机制其实并不完备，在某些场景下，还是有可能出现死循环。你能构造出一个这样的场景吗？又应该怎么解决呢？

答案

​ 一种场景是，在一个主库更新事务后，用命令 set global server_id=x 修改了 server_id。等日志再传回来的时候，发现 server_id 跟自己的 server_id 不同，就只能执行了。

​ 另一种场景是，有三个节点的时候，如图 7 所示，trx1 是在节点 B 执行的，因此 binlog 上的 server_id 就是 B，binlog 传给节点 A，然后 A 和 A’搭建了双 M 结构，就会出现循环复制。

图 7 三节点循环复制

​ 这种三节点复制的场景，做数据库迁移的时候会出现。如果出现了循环复制，可以在 A 或者 A’上，执行如下命令：

stop slave；
CHANGE MASTER TO IGNORE_SERVER_IDS=(server_id_of_B);
start slave;

停止从库复制进程(stop slave;)、更改从库的主服务器配置，忽略特定的服务器ID(CHANGE MASTER TO IGNORE_SERVER_IDS=(server_id_of_B);)，然后重新启动从库复制进程(start slave;)。

​ 这样这个节点收到日志后就不会再执行。过一段时间后，再执行下面的命令把这个值改回来。

stop slave；
CHANGE MASTER TO IGNORE_SERVER_IDS=();
start slave;