複製集簡介

Mongodb複製集由一組Mongod例項（程序）組成，包含一個Primary節點和多個Secondary節點，Mongodb Driver（客戶端）的所有資料都寫入Primary，Secondary從Primary同步寫入的資料，以保持複製集內所有成員儲存相同的資料集，提供資料的高可用。

下圖（圖片源於Mongodb官方文件）是一個典型的Mongdb複製集，包含一個Primary節點和2個Secondary節點。

Primary選舉

複製集通過replSetInitiate命令（或mongo shell的rs.initiate()）進行初始化，初始化後各個成員間開始傳送心跳訊息，併發起Priamry選舉操作，獲得『大多數』成員投票支援的節點，會成為Primary，其餘節點成為Secondary。

初始化複製集

config = {
  _id : "my_replica_set",members : [
     {_id : 0,host : "rs1.example.net:27017"},{_id : 1,host : "rs2.example.net:27017"},{_id : 2,host : "rs3.example.net:27017"},]
}

rs.initiate(config)

『大多數』的定義

假設複製集內投票成員（後續介紹）數量為N，則大多數為 N/2 + 1，當複製集記憶體活成員數量不足大多數時，整個複製集將無法選舉出Primary，複製集將無法提供寫服務，處於只讀狀態。

投票成員數	大多數	容忍失效數
1	1	0
2	2	0
3	2	1
4	3	1
5	3	2
6	4	2
7	4	3

通常建議將複製整合員數量設定為奇數，從上表可以看出3個節點和4個節點的複製集都只能容忍1個節點失效，從『服務可用性』的角度看，其效果是一樣的。（但無疑4個節點能提供更可靠的資料儲存）

特殊的Secondary

正常情況下，複製集的Seconary會參與Primary選舉（自身也可能會被選為Primary），並從Primary同步最新寫入的資料，以保證與Primary儲存相同的資料。

Secondary可以提供讀服務，增加Secondary節點可以提供複製集的讀服務能力，同時提升複製集的可用性。另外，Mongodb支援對複製集的Secondary節點進行靈活的配置，以適應多種場景的需求。

Arbiter

Arbiter節點只參與投票，不能被選為Primary，並且不從Primary同步資料。

比如你部署了一個2個節點的複製集，1個Primary，1個Secondary，任意節點宕機，複製集將不能提供服務了（無法選出Primary），這時可以給複製集新增一個Arbiter節點，即使有節點宕機，仍能選出Primary。

Arbiter本身不儲存資料，是非常輕量級的服務，當複製整合員為偶數時，最好加入一個Arbiter節點，以提升複製集可用性。

Priority0

Priority0節點的選舉優先順序為0，不會被選舉為Primary

比如你跨機房A、B部署了一個複製集，並且想指定Primary必須在A機房，這時可以將B機房的複製整合員Priority設定為0，這樣Primary就一定會是A機房的成員。（注意：如果這樣部署，最好將『大多數』節點部署在A機房，否則網路分割槽時可能無法選出Primary）

Vote0

Mongodb 3.0裡，複製整合員最多50個，參與Primary選舉投票的成員最多7個，其他成員（Vote0）的vote屬性必須設定為0，即不參與投票。

Hidden

Hidden節點不能被選為主（Priority為0），並且對Driver不可見。

因Hidden節點不會接受Driver的請求，可使用Hidden節點做一些資料備份、離線計算的任務，不會影響複製集的服務。

Delayed

Delayed節點必須是Hidden節點，並且其資料落後與Primary一段時間（可配置，比如1個小時）。

因Delayed節點的資料比Primary落後一段時間，當錯誤或者無效的資料寫入Primary時，可通過Delayed節點的資料來恢復到之前的時間點。

資料同步

Primary與Secondary之間通過oplog來同步資料，Primary上的寫操作完成後，會向特殊的local.oplog.rs特殊集合寫入一條oplog，Secondary不斷的從Primary取新的oplog並應用。

因oplog的資料會不斷增加，local.oplog.rs被設定成為一個capped集合，當容量達到配置上限時，會將最舊的資料刪除掉。另外考慮到oplog在Secondary上可能重複應用，oplog必須具有冪等性，即重複應用也會得到相同的結果。

如下oplog的格式，包含ts、h、op、ns、o等欄位

{
 "ts" : Timestamp(1446011584,2),"h" : NumberLong("1687359108795812092"),"v" : 2,"op" : "i","ns" : "test.nosql","o" : { "_id" : ObjectId("563062c0b085733f34ab4129"),"name" : "mongodb","score" : "100" } 
}

• ts： 操作時間，當前timestamp + 計數器，計數器每秒都被重置
• h：操作的全域性唯一標識
• v：oplog版本資訊
• op：操作型別
  • i：插入操作
  • u：更新操作
  • d：刪除操作
  • c：執行命令（如createDatabase，dropDatabase）
  • n：空操作，特殊用途
• ns：操作針對的集合
• o：操作內容，如果是更新操作
• o2：操作查詢條件，僅update操作包含該欄位

Secondary初次同步資料時，會先進行init sync，從Primary（或其他資料更新的Secondary）同步全量資料，然後不斷通過tailable cursor從Primary的local.oplog.rs集合裡查詢最新的oplog並應用到自身。

init sync過程包含如下步驟

T1時間，從Primary同步所有資料庫的資料（local除外），通過listDatabases + listCollections + cloneCollection敏命令組合完成，假設T2時間完成所有操作。

從Primary應用[T1-T2]時間段內的所有oplog，可能部分操作已經包含在步驟1，但由於oplog的冪等性，可重複應用。

根據Primary各集合的index設定，在Secondary上為相應集合建立index。（每個集合_id的index已在步驟1中完成）。

oplog集合的大小應根據DB規模及應用寫入需求合理配置，配置得太大，會造成儲存空間的浪費；配置得太小，可能造成Secondary的init sync一直無法成功。比如在步驟1裡由於DB資料太多、並且oplog配置太小，導致oplog不足以儲存[T1,T2]時間內的所有oplog，這就Secondary無法從Primary上同步完整的資料集。

修改複製集配置

當需要修改複製集時，比如增加成員、刪除成員、或者修改成員配置（如priorty、vote、hidden、delayed等屬性），可通過replSetReconfig命令（rs.reconfig()）對複製集進行重新配置。

比如將複製集的第2個成員Priority設定為2，可執行如下命令

cfg = rs.conf();
cfg.members[1].priority = 2;
rs.reconfig(cfg);

細說Primary選舉

Primary選舉除了在複製集初始化時發生，還有如下場景

• 複製集被reconfig
• Secondary節點檢測到Primary宕機時，會觸發新Primary的選舉
• 當有Primary節點主動stepDown（主動降級為Secondary）時，也會觸發新的Primary選舉

Primary的選舉受節點間心跳、優先順序、最新的oplog時間等多種因素影響。

節點間心跳

複製整合員間預設每2s會發送一次心跳資訊，如果10s未收到某個節點的心跳，則認為該節點已宕機；如果宕機的節點為Primary，Secondary（前提是可被選為Primary）會發起新的Primary選舉。

節點優先順序

• 每個節點都傾向於投票給優先順序最高的節點
• 優先順序為0的節點不會主動發起Primary選舉
• 當Primary發現有優先順序更高Secondary，並且該Secondary的資料落後在10s內，則Primary會主動降級，讓優先順序更高的Secondary有成為Primary的機會。

Optime

擁有最新optime（最近一條oplog的時間戳）的節點才能被選為主。

網路分割槽

只有更大多數投票節點間保持網路連通，才有機會被選Primary；如果Primary與大多數的節點斷開連線，Primary會主動降級為Secondary。當發生網路分割槽時，可能在短時間內出現多個Primary，故Driver在寫入時，最好設定『大多數成功』的策略，這樣即使出現多個Primary，也只有一個Primary能成功寫入大多數。

複製集的讀寫設定

Read Preference

預設情況下，複製集的所有讀請求都發到Primary，Driver可通過設定Read Preference來將讀請求路由到其他的節點。

• primary： 預設規則，所有讀請求發到Primary
• primaryPreferred： Primary優先，如果Primary不可達，請求Secondary
• secondary： 所有的讀請求都發到secondary
• secondaryPreferred：Secondary優先，當所有Secondary不可達時，請求Primary
• nearest：讀請求傳送到最近的可達節點上（通過ping探測得出最近的節點）

Write Concern

預設情況下，Primary完成寫操作即返回，Driver可通過設定[Write Concern(https://docs.mongodb.org/manual/core/write-concern/)來設定寫成功的規則。

如下的write concern規則設定寫必須在大多數節點上成功，超時時間為5s。

db.products.insert(
 { item: "envelopes",qty : 100,type: "Clasp" },{ writeConcern: { w: majority,wtimeout: 5000 } }
)

上面的設定方式是針對單個請求的，也可以修改副本集預設的write concern，這樣就不用每個請求單獨設定。

cfg = rs.conf()
cfg.settings = {}
cfg.settings.getLastErrorDefaults = { w: "majority",wtimeout: 5000 }
rs.reconfig(cfg)

異常處理（rollback）

當Primary宕機時，如果有資料未同步到Secondary，當Primary重新加入時，如果新的Primary上已經發生了寫操作，則舊Primary需要回滾部分操作，以保證資料集與新的Primary一致。

舊Primary將回滾的資料寫到單獨的rollback目錄下，資料庫管理員可根據需要使用mongorestore進行恢復。

以上就是本文的全部內容，希望對大家的學習有所幫助，也希望大家多多支援我們。