MySQL主从复制详解
为什么需要主从复制？
1、在业务复杂的系统中，有这么一个情景，有一句sql语句需要锁表，导致暂时不能使用读的服务，那么就很影响运行中的业务，使用主从复制，让主库负责写，从库负责读，这样，即使主库出现了锁表的情景，通过读从库也可以保证业务的正常运作。
2、做数据的热备
3、架构的扩展。业务量越来越大，I/O访问频率过高，单机无法满足，此时做多库的存储，降低磁盘I/O访问的频率，提高单个机器的I/O性能。
MySQL 主从复制概念
MySQL 主从复制是指数据可以从一个MySQL数据库服务器主节点复制到一个或多个从节点。MySQL 默认采用异步复制方式，这样从节点不用一直访问主服务器来更新自己的数据，数据的更新可以在远程连接上进行，从节点可以复制主数据库中的所有数据库或者特定的数据库，或者特定的表。
MySQL 主从复制主要用途
- 读写分离
在开发工作中，有时候会遇见某个sql 语句需要锁表，导致暂时不能使用读的服务，这样就会影响现有业务，使用主从复制，让主库负责写，从库负责读，这样，即使主库出现了锁表的情景，通过读从库也可以保证业务的正常运作。 - 数据实时备份，当系统中某个节点发生故障时，可以方便的故障切换
- 高可用HA
- 架构扩展
随着系统中业务访问量的增大，如果是单机部署数据库，就会导致I/O访问频率过高。有了主从复制，增加多个数据存储节点，将负载分布在多个从节点上，降低单机磁盘I/O访问的频率，提高单个机器的I/O性能。
MySQL 主从形式
一主一从
一主多从，提高系统的读性能
一主一从和一主多从是最常见的主从架构，实施起来简单并且有效，不仅可以实现HA，而且还能读写分离，进而提升集群的并发能力。
多主一从 （从5.7开始支持）
多主一从可以将多个mysql数据库备份到一台存储性能比较好的服务器上。
双主复制
双主复制，也就是互做主从复制，每个master既是master，又是另外一台服务器的slave。这样任何一方所做的变更，都会通过复制应用到另外一方的数据库中。
级联复制
级联复制模式下，部分slave的数据同步不连接主节点，而是连接从节点。因为如果主节点有太多的从节点，就会损耗一部分性能用于replication，那么我们可以让3~5个从节点连接主节点，其它从节点作为二级或者三级与从节点连接，这样不仅可以缓解主节点的压力，并且对数据一致性没有负面影响。
MySQL 主从复制原理
MySQL主从复制涉及到三个线程，一个运行在主节点（log dump thread），其余两个(I/O thread, SQL thread)运行在从节点，如下图所示:
主节点 binary log dump 线程
当从节点连接主节点时，主节点会创建一个log dump 线程，用于发送bin-log的内容。在读取bin-log中的操作时，此线程会对主节点上的bin-log加锁，当读取完成，甚至在发动给从节点之前，锁会被释放。
从节点I/O线程
当从节点上执行start slave命令之后，从节点会创建一个I/O线程用来连接主节点，请求主库中更新的bin-log。I/O线程接收到主节点binlog dump 进程发来的更新之后，保存在本地relay-log中。
从节点SQL线程
SQL线程负责读取relay log中的内容，解析成具体的操作并执行，最终保证主从数据的一致性。
对于每一个主从连接，都需要三个进程来完成。当主节点有多个从节点时，主节点会为每一个当前连接的从节点建一个binary log dump 进程，而每个从节点都有自己的I/O进程，SQL进程。从节点用两个线程将从主库拉取更新和执行分成独立的任务，这样在执行同步数据任务的时候，不会降低读操作的性能。比如，如果从节点没有运行，此时I/O进程可以很快从主节点获取更新，尽管SQL进程还没有执行。如果在SQL进程执行之前从节点服务停止，至少I/O进程已经从主节点拉取到了最新的变更并且保存在本地relay日志中，当服务再次起来之后，就可以完成数据的同步。
复制原理
要实施复制，首先必须打开Master 端的binary log（bin-log）功能，否则无法实现。
因为整个复制过程实际上就是Slave 从Master 端获取该日志然后再在自己身上完全顺序的执行日志中所记录的各种操作。如下图所示：
原理：
- master服务器将数据的改变记录二进制binlog日志，当master上的数据发生改变时，则将其改变写入二进制日志中；
- slave服务器会在一定时间间隔内对master二进制日志进行探测其是否发生改变，如果发生改变，则开始一个I/OThread请求master二进制事件
- 同时主节点为每个I/O线程启动一个dump线程，用于向其发送二进制事件，并保存至从节点本地的中继日志中，从节点将启动SQL线程从中继日志中读取二进制日志，在本地重放，使得其数据和主节点的保持一致，最后I/OThread和SQLThread将进入睡眠状态，等待下一次被唤醒。
也就是说：
- 从库会生成两个线程,一个I/O线程,一个SQL线程;
- I/O线程会去请求主库的binlog,并将得到的binlog写到本地的relay-log(中继日志)文件中;
- 主库会生成一个log dump线程,用来给从库I/O线程传binlog;
- SQL线程,会读取relay log文件中的日志,并解析成sql语句逐一执行;
复制的基本过程：
- 从库通过手工执行change master to 语句连接主库，提供了连接的用户一切条件（user 、password、port、ip），并且让从库知道，二进制日志的起点位置（file名 position 号）； start slave
- 从库的IO线程和主库的log dump线程建立连接。
- 从库根据change master to 语句提供的file名和position号，IO线程向主库发起binlog的请求。
- 主库log dump线程根据从库的请求，将本地binlog以events的方式发给从库IO线程。
- 从库IO线程接收binlog events，并存放到本地relay-log中，传送过来的信息，会记录到master.info中
- 从库SQL线程应用relay-log，并且把应用过的记录到relay-log.info中，默认情况下，已经应用过的relay 会自动被清理purge
注意：
- master将操作语句记录到binlog日志中，然后授予slave远程连接的权限（master一定要开启binlog二进制日志功能；通常为了数据安全考虑，slave也开启binlog功能）。
- slave开启两个线程：IO线程和SQL线程。其中：IO线程负责读取master的binlog内容到中继日志relay log里；SQL线程负责从relay log日志里读出binlog内容，并更新到slave的数据库里，这样就能保证slave数据和master数据保持一致了。
- Mysql复制至少需要两个Mysql的服务，当然Mysql服务可以分布在不同的服务器上，也可以在一台服务器上启动多个服务。
- Mysql复制最好确保master和slave服务器上的Mysql版本相同（如果不能满足版本一致，那么要保证master主节点的版本低于slave从节点的版本）
- master和slave两节点间时间需同步
MySQL 主从复制模式
MySQL 主从复制默认是异步模式。MySQL增删改操作会全部记录在binary log中，当slave节点连接master时，会主动从master处获取最新的bin log文件。并把bin log中的sql relay。
异步模式（mysql async-mode）
异步模式如下图所示，这种模式下，主节点不会主动push bin log到从节点，这样有可能导致failover的情况下，也许从节点没有即时地将最新的bin log同步到本地。
异步复制是MySQL默认的复制方式，主库写入binlog日志后即可成功返回客户端，无须等待binlog日志传递给从库的过程，但是一旦主库宕机，就有可能出现丢失数据的情况。
半同步模式(mysql semi-sync)
这种模式下主节点只需要接收到其中一台从节点的返回信息，就会commit；否则需要等待直到超时时间然后切换成异步模式再提交；这样做的目的可以使主从数据库的数据延迟缩小，可以提高数据安全性，确保了事务提交后，binlog至少传输到了一个从节点上，不能保证从节点将此事务更新到db中。性能上会有一定的降低，响应时间会变长。如下图所示：
MySQL5.5版本之后引入了半同步复制，但是主从服务器必须同时安装半同步复制插件。在该功能下，确保从库接收完成主库传递过来的binlog内容已经写入到自己的relay log后才会通知主库上面的等待线程。如果等待超时(超时参数：rpl_semi_sync_master_timeout)，则关闭半同步复制，并自动转换为异步复制模式，直到至少有一台从库通知主库已经接收到binlog信息为止。
半同步复制提升了主从之间数据的一致性，让复制更加安全可靠，在5.7 版本中又增加了rpl_semi_sync_master_wait_point参数，用来控制半同步模式下主库返回给session事务成功之前的事务提交方式。
该参数有两个值：
- AFTER_COMMIT：5.6版本的默认值，主库将每个事务写入binlog，并传递给从库，刷新到中继日志中，同时主库提交事务。之后主库开始等待从库的反馈，只有收到从库的回复之后，master才将commit OK的结果反馈给客户端。
- AFTER_SYNC：5.7版本新增，也是默认的半同步复制方式。主库将每个事务写入binlog并传递给从库，刷新到中继日志中，主库开始等待从库的反馈，接收到从库的回复之后，再提交事务并且返回commit OK结果给客户端。
注意：可以通过rpl_semi_sync_master_wait_for_slave_count参数来控制主库接收多少个从库写事务成功反馈，才返回成功给客户端。生产环境中使用半同步复制方式，当从库出现故障，等待超时的时间又很长，导致主库无法接收从库信息而无法正常写入时，可通过该参数剔除故障从库。另外rpl_semi_sync_master_timeout单位是毫秒，它表示如果主库等待从库回复消息的时间超过该值，就自动切换为异步复制模式，建议调整为很大，禁止向异步复制切换来保证数据复制的安全性。MySQL 5.7默认的半同步复制方式是after_sync模式。
在AFTER_SYNC模式下，即使主库宕机，所有在主库上已经提交的事务都能保证已经同步到从库的中继日志中，不会丢任何数据。
全同步模式
全同步模式是指主节点和从节点全部执行了commit并确认才会向客户端返回成功。
binlog记录格式
MySQL 主从复制有三种方式：
- 基于SQL语句的复制（statement-based replication，SBR），
- 基于行的复制（row-based replication，RBR)，
- 混合模式复制（mixed-based replication,MBR)。
对应的binlog文件的格式也有三种：STATEMENT,ROW,MIXED。
基于SQL语句的复制
Statement-base Replication (SBR)就是记录sql语句在bin log中，Mysql 5.1.4 及之前的版本都是使用的这种复制格式。优点是只需要记录会修改数据的sql语句到binlog中，减少了binlog日质量，节约I/O，提高性能。缺点是在某些情况下，会导致主从节点中数据不一致（比如sleep(),now()等）。
基于行的复制
Row-based Relication(RBR)是mysql master将SQL语句分解为基于Row更改的语句并记录在bin log中，也就是只记录哪条数据被修改了，修改成什么样。优点是不会出现某些特定情况下的存储过程、或者函数、或者trigger的调用或者触发无法被正确复制的问题。缺点是会产生大量的日志，尤其是修改table的时候会让日志暴增,同时增加bin log同步时间。也不能通过bin log解析获取执行过的sql语句，只能看到发生的data变更。
混合模式复制
Mixed-format Replication(MBR)，MySQL NDB cluster 7.3 和7.4 使用的MBR。是以上两种模式的混合，对于一般的复制使用STATEMENT模式保存到binlog，对于STATEMENT模式无法复制的操作则使用ROW模式来保存，MySQL会根据执行的SQL语句选择日志保存方式。
GTID复制模式
GTID又叫全局事务ID，是一个以提交事务的编号，并且是一个全局唯一的编号。GTID是由server_uuid和事务id组成的，即GTID=server_uuid:transaction_id。server_uuid是数据库启动自动生成的，保存在auto.cnf文件下，transaction_id是事务提交时由系统顺序分配的一个不会重复的序列行。
在传统的复制里面，当发生故障，需要主从切换，需要找到binlog和pos点，然后将主节点指向新的主节点，相对来说比较麻烦，也容易出错。在MySQL 5.6里面，不用再找binlog和pos点，我们只需要知道主节点的ip，端口，以及账号密码就行，因为复制是自动的，MySQL会通过内部机制GTID自动找点同步。
多线程复制（基于库），在MySQL 5.6以前的版本，slave的复制是单线程的。一个事件一个事件的读取应用。而master是并发写入的，所以延时是避免不了的。唯一有效的方法是把多个库放在多台slave，这样又有点浪费服务器。在MySQL 5.6里面，我们可以把多个表放在多个库，这样就可以使用多线程复制。
GTID存在的价值：
- GTID使用master_auto_position=1代替了基于binlog和position号的主从复制方式，更便于主从复制的搭建。
- GTID可以知道事务在最开始是哪个实例上提交的。
- GTID方便实现主从之间的failover，无须找position和binlog。
GTID限制条件：
- 不能使用create table table_name select * from table_name。
- 不支持CREATE TEMPORARY TABLE or DROP TEMPORARY TABLE语句操作。
- 不支持sql_slave_skip_counter。
基于GTID复制实现的工作原理
- 主节点更新数据时，会在事务前产生GTID，一起记录到binlog日志中。
- 从节点的I/O线程将变更的bin log，写入到本地的relay log中。
- SQL线程从relay log中获取GTID，然后对比本地binlog是否有记录（所以MySQL从节点必须要开启binary log）。
- 如果有记录，说明该GTID的事务已经执行，从节点会忽略。
- 如果没有记录，从节点就会从relay log中执行该GTID的事务，并记录到bin log。
- 在解析过程中会判断是否有主键，如果没有就用二级索引，如果有就用全部扫描。
总结
Mysql 主从复制是mysql 高可用，高性能的基础，有了这个基础，mysql 的部署会变得简单、灵活并且具有多样性，从而可以根据不同的业务场景做出灵活的调整。
参考：mysql主从复制原理