数据库主从复制原理与实践

题目描述
数据库主从复制（Master-Slave Replication）是一种常见的数据冗余与读写分离技术，通过将主库（Master）的数据变更同步到一个或多个从库（Slave），实现数据备份、负载均衡和高可用性。面试中常考察其核心原理、同步流程、数据一致性保障及典型问题解决方案。

一、主从复制的基本架构

1. 角色定义：
   • 主库（Master）：接收所有写操作，并记录数据变更日志（如二进制日志Binlog）。
   • 从库（Slave）：订阅主库的变更日志，异步或半同步地重放这些操作，保持与主库数据一致。
2. 核心组件：
   • Binlog（二进制日志）：主库记录数据变更的日志文件，格式支持Statement（SQL语句）、Row（行数据变更）或Mixed（混合模式）。
   • I/O线程：从库连接主库，拉取Binlog并写入本地中继日志（Relay Log）。
   • SQL线程：从库读取Relay Log，解析并执行其中的SQL或行变更操作。

二、主从复制的完整流程

1. 主库启用Binlog：

   • 配置主库的server-id和log_bin参数，确保每个变更操作（如INSERT/UPDATE）被记录到Binlog。
   • 例如：MySQL中通过SET GLOBAL server_id=1和log_bin=mysql-bin启用。

2. 从库配置主库连接：

   • 通过CHANGE MASTER TO命令指定主库的IP、端口、Binlog文件名和位置（或GTID）。
   • 示例：

     CHANGE MASTER TO  
     MASTER_HOST='192.168.1.100',  
     MASTER_USER='repl_user',  
     MASTER_LOG_FILE='mysql-bin.000001',  
     MASTER_LOG_POS=154;  
     

3. 数据同步过程：

   • 步骤1：从库的I/O线程向主库发起连接，请求从指定位置开始拉取Binlog。
   • 步骤2：主库的Binlog Dump线程将Binlog内容发送给从库的I/O线程。
   • 步骤3：I/O线程将接收到的Binlog事件顺序写入从库的Relay Log。
   • 步骤4：从库的SQL线程读取Relay Log，解析事件并重放SQL操作（如执行INSERT）。
   • 步骤5：从库定期更新当前同步的Binlog位置信息，确保重启后能继续同步。

三、主从复制的数据一致性保障

1. 异步复制（默认）：

   • 主库提交事务后立即返回成功，不等待从库确认。
   • 风险：主库宕机可能导致从库数据丢失（弱一致性）。

2. 半同步复制（Semi-Sync）：

   • 主库提交事务后，至少等待一个从库接收并写入Relay Log后才返回成功。
   • 配置方式（MySQL）：

     INSTALL PLUGIN rpl_semi_sync_master SONAME 'semisync_master.so';  
     SET GLOBAL rpl_semi_sync_master_enabled=1;  
     

3. 全同步复制（Group Replication）：

   • 基于Paxos协议，要求所有节点确认事务后才提交，保证强一致性（但性能较低）。

四、典型问题与解决方案

1. 主从延迟：

   • 原因：从库SQL线程单线程重放（MySQL 5.6前）、网络延迟、主库写压力大。
   • 优化：
     • 启用并行复制（如MySQL的slave_parallel_workers）。
     • 使用行格式Binlog（Row模式）减少锁竞争。

2. 数据冲突：

   • 场景：误操作在从库写入数据，导致主从数据不一致。
   • 预防：设置从库read_only=ON，禁止非复制线程的写操作。

3. 主从切换：

   • 手动切换：
     1. 主库停写，确保从库追平Binlog。
     2. 将从库设为新主库，其他从库重新指向新主库。
   • 工具辅助：使用MHA（Master High Availability）或Orchestrator自动化切换。

五、实践建议

1. 监控指标：
   • Seconds_Behind_Master：主从延迟秒数。
   • Slave_IO_Running/Slave_SQL_Running：复制线程状态。
2. 容灾演练：定期模拟主库故障，测试切换流程和数据完整性。

通过以上步骤，主从复制的核心原理、同步流程及常见问题解决方案得以系统化呈现，为实际生产环境部署提供理论支撑。