副本集Oplog同步原理

副本集是mongodb的基础组件，是实现高可用、自动选主、读写分离以及数据一致性的基础。 比较概括的说， 副本集是将同一份数据保存在不同的节点上面， 这些节点通过一致性的协议（RAFT）， 实现数据的同步， 并且选出一个主节点， 该节点对外提供读写服务， 当该主节点发生故障的时候， 自动从剩余的从节点内选出新的主节点。

本文主要针对副本集的整体架构进行分析， 先来看一下架构图：

从这里， 我们可以看到， oplog 的整个从Primary 到Second的 sync 过程， 主要是通过SyncTail类来完成的， 其中用到几个重要的类来协助完成： BackgroundSync， OpQueueBatcher， ThreadPool。
这个的流程如下流程图：

BackgroundSync 类

该类的实现在： src/mongo/db/repl/bgsync.cpp.
每一个Secondary节点都会启动一个名为rsBackgroundSync的线程， 专门负责从Primary 抓取Oplog， 并且把抓取的结果放进buffer里面。
这个类主要负责的工作：

• 创建从secondary 到Primary的连接类： OplogReader；
• 更新记录当前抓取的oplog的时间点lastOpTimeFetched等；
• 创建Fetcher 类来调用Remote Command 抓取oplog；
• 调用getMore 命令从oplog collection 获得下一批的oplog；

OpQueueBatcher 类

该类是SyncTail的一个子类， 主要是起一个名叫：ReplBatcher 的线程， 不断地把BackgroundSync得到的全部的oplog 集合， 分成一个个的batch进行处理， 每处理掉一个batch， BackgroundSync的buffer就被腾出了相应的空间， 可以继续从远端获得更多的oplog对象。
每个batch 最多是512M或者5000条oplog， 每当batcher 内有新的数据， 就会发返回给SyncTail， ReplBatcher线程继续准备下一个batch的数据。

SyncTail类

每个Secondary节点都有一个名为： rsSync的线程， 它负责得到并且更新本地的oplog。
它会检查本地的oplog状况， 决定是要全量同步oplog， 还是增量同步。
增量同步的代码在： src/mongo/db/repl/sync_tail.cpp。

SyncTail从OpQueueBatcher得到OpQueue 类型的ops， 需要把他们进行replay， 但是， 如果使用当前线程执行的话， 有可能执行的时间很长。
这里， SyncTail 通过ThreadPool的方式， 一次创建16个线程， 并行的replay这些oplog。那么， 这些的oplog是怎么分配到不同的线程里面的？ 它是通过oplog的namespace。

void fillWriterVectors(OperationContext* txn,
                       const std::deque& ops,
                       std::vector<std::vector>* writerVectors) {
    const bool supportsDocLocking =
        getGlobalServiceContext()->getGlobalStorageEngine()->supportsDocLocking();
    const uint32_t numWriters = writerVectors->size();

    Lock::GlobalRead globalReadLock(txn->lockState());

    CachingCappedChecker isCapped;

    for (auto&& op : ops) {
        StringMapTraits::HashedKey hashedNs(op.ns);
        uint32_t hash = hashedNs.hash();

        const char* opType = op.opType.rawData();
        if (supportsDocLocking && isCrudOpType(opType) && !isCapped(txn, hashedNs)) {
            BSONElement id;
            switch (opType[0]) {
                case 'u':
                    id = op.o2.Obj()["_id"];
                    break;
                case 'd':
                case 'i':
                    id = op.o.Obj()["_id"];
                    break;
            }

            const size_t idHash = BSONElement::Hasher()(id);
            MurmurHash3_x86_32(&idHash, sizeof(idHash), hash, &hash);
        }

        (*writerVectors)[hash % numWriters].push_back(op.raw);
    }
}

oplog分配到不同的线程以后， 就是replay该线程分配到的oplog， replay oplog的实现过程在SyncTail::MultiSyncApplyFunc里面， 我们后面会用单独一小节来讨论。

void applyOps(const std::vector<std::vector>& writerVectors,
              OldThreadPool* writerPool,
              SyncTail::MultiSyncApplyFunc func,
              SyncTail* sync) {
    TimerHolder timer(&applyBatchStats);
    for (std::vector<std::vector>::const_iterator it = writerVectors.begin();
         it != writerVectors.end();
         ++it) {
        if (!it->empty()) {
            writerPool->schedule(func, stdx::cref(*it), sync);
        }
    }
}

执行完oplog， 我们需要把oplog更新到本地的oplog 集合里面。

OpTime writeOpsToOplog(OperationContext* txn, const std::vector& ops) {
    ReplicationCoordinator* replCoord = getGlobalReplicationCoordinator();

    OpTime lastOptime;
    MONGO_WRITE_CONFLICT_RETRY_LOOP_BEGIN {
        lastOptime = replCoord->getMyLastAppliedOpTime();
        invariant(!ops.empty());
        ScopedTransaction transaction(txn, MODE_IX);
        Lock::DBLock lk(txn->lockState(), "local", MODE_X);

        if (_localOplogCollection == 0) {
            OldClientContext ctx(txn, rsOplogName);

            _localDB = ctx.db();
            verify(_localDB);
            _localOplogCollection = _localDB->getCollection(rsOplogName);
            massert(13389,
                    "local.oplog.rs missing. did you drop it? if so restart server",
                    _localOplogCollection);
        }

        OldClientContext ctx(txn, rsOplogName, _localDB);
        WriteUnitOfWork wunit(txn);

        checkOplogInsert(
            _localOplogCollection->insertDocuments(txn, ops.begin(), ops.end(), false));
        lastOptime =
            fassertStatusOK(ErrorCodes::InvalidBSON, OpTime::parseFromOplogEntry(ops.back()));
        wunit.commit();
    }
    MONGO_WRITE_CONFLICT_RETRY_LOOP_END(txn, "writeOps", _localOplogCollection->ns().ns());

    return lastOptime;
}

oplog的replay过程

在同步oplog的时候， 需要创建一个SyncTail对象， 来进行增量同步。

void runSyncThread() {
      ...
      SyncTail tail(BackgroundSync::get(), multiSyncApply);
      tail.oplogApplication();
 }

SyncTail 的构造函数， 需要传入一个函数指针MultiSyncApplyFunc， 它是用来replay oplog的callback 函数。
SyncTail::SyncTail(BackgroundSyncInterface* q, MultiSyncApplyFunc func)；

OpTime SyncTail::multiApply(OperationContext* txn,
                              const OpQueue& ops,
                              boost::optional boundaries) {
    ...
    //这里_applyFunc 就是传入的MultiSyncApplyFunc指针
    applyOps(writerVectors, &_writerPool, _applyFunc, this);
}

我们可以看到， 真个replay的入口在multiSyncApply， 接下来顺着代码看一下整个实现的过程：

void multiSyncApply(const std::vector& ops, SyncTail* st) {
   // 对于每一个得到的oplog， 调用SyncTail：：syncApply 
   for (std::vector::const_iterator it = ops.begin(); it != ops.end(); ++it) {
         const Status s = SyncTail::syncApply(&txn, *it, convertUpdatesToUpserts);
   }
}

Status SyncTail::syncApply(OperationContext* txn,
                             const BSONObj& op,
                             bool convertUpdateToUpsert,
                             ApplyOperationInLockFn applyOperationInLock,
                             ApplyCommandInLockFn applyCommandInLock,
                             IncrementOpsAppliedStatsFn incrementOpsAppliedStats) {
     if (isCommand) {
          Status status = applyCommandInLock(txn, op);
     }
     if (isCrudOpType(opType)) {
         applyOperationInLock(txn, db, op, convertUpdateToUpsert);
     }
}

这里， oplog的replay分为两类： command和一般的增删改查。具体的实现oplog.cpp里面。
command的oplog回放是将当前支持的command以及对应的处理函数放进一个map里面， 通过每一个oplog的类型找到相应的处理函数：

std::map<std::string, ApplyOpMetadata> opsMap = {
    {"create",
     {[](OperationContext* txn, const char* ns, BSONObj& cmd)
          -> Status { return createCollection(txn, NamespaceString(ns).db().toString(), cmd); },
      {ErrorCodes::NamespaceExists}}},
    {"collMod",
     {[](OperationContext* txn, const char* ns, BSONObj& cmd) -> Status {
         BSONObjBuilder resultWeDontCareAbout;
         return collMod(txn, parseNs(ns, cmd), cmd, &resultWeDontCareAbout);
     }}},
    {"dropDatabase",
     {[](OperationContext* txn, const char* ns, BSONObj& cmd)
          -> Status { return dropDatabase(txn, NamespaceString(ns).db().toString()); },
      {ErrorCodes::NamespaceNotFound}}},
      ...
}
Status applyCommand_inlock(OperationContext* txn, const BSONObj& op) {
    while (!done) {
        auto op = opsMap.find(o.firstElementFieldName());
        if (op == opsMap.end()) {
            return Status(ErrorCodes::BadValue,
                          mongoutils::str::stream() << "Invalid key '" << o.firstElementFieldName()
                                                    << "' found in field 'o'");
        }
        ApplyOpMetadata curOpToApply = op->second;
        Status status = Status::OK();
        try {
            status = curOpToApply.applyFunc(txn, ns, o);
        } catch (...) {
            status = exceptionToStatus();
        }
    }
 }

另外一种增删改查的oplog relay, 处理了index， insert， update， create的场景， 代码不复杂， 在applyOperation_inlock里面， 可以自己查看。

// See replset initial sync code.
Status applyOperation_inlock(OperationContext* txn,
                             Database* db,
                             const BSONObj& op,
                             bool convertUpdateToUpsert) {
}

到这里， 一次oplog的更新就完成了， 循环上面的过程， 我们就可以把primary上面新的oplog更新到secondary节点上。 当primary掉线或者故障， 某个节点从secondary变为primary的时候， BackgroundSync 停止sync oplog， 并且通知Synctail 结束工作。