MongoDB-副本集 - 技术栈

一、什么是 MongoDB 副本集？

1.副本集的定义

MongoDB 的副本集（Replica Set）是一组 MongoDB 服务器实例，它们存储同一数据集的副本，确保数据的高可用性和可靠性。副本集中的每个节点都有相同的数据副本，但并不是所有节点都可以直接响应客户端请求。

副本集中的节点有不同的角色：

Primary 节点：主节点，所有写操作都在这个节点上执行，客户端只能写入主节点。每个副本集只能有一个主节点。
Secondary 节点：副节点，副本集中的数据复制到这些节点，支持读取操作。副节点会从主节点同步数据。
Arbiter 节点：仲裁节点，不存储数据，仅用于参与选举，帮助决定主节点的变更。仲裁节点不承担数据存储的职责，但在副本集发生故障时发挥作用。

副本集提供了故障恢复、自动切换（自动选举）以及数据冗余等特性，是保证 MongoDB 集群高可用性和灾难恢复的核心机制。

2.副本集的优势

副本集提供了以下几个重要的优势：

高可用性：副本集通过自动故障转移和数据复制，确保在某个节点故障时，系统可以自动切换到其他节点，保证服务的持续可用性。
数据冗余：副本集中的每个节点都存储着完整的数据副本，即使某个节点宕机，数据依然能够通过其他节点恢复。
读写分离：通过将读取操作分配给 Secondary 节点，副本集可以实现一定程度的读写分离，从而减轻主节点的负担。
自动恢复：如果副本集中的 Primary 节点宕机，副本集会自动选举新的 Primary 节点，确保业务不间断。

二、如何配置 MongoDB 副本集？

1.创建副本集

MongoDB 副本集的创建非常简单，通常的配置步骤如下：

1、启动副本集成员

假设我们有三个 MongoDB 实例，分别运行在不同的服务器或端口上，首先启动每个 MongoDB 实例并指定副本集的名称。假设副本集的名称是 rs0，以下是启动 MongoDB 实例的命令：

mongod --replSet rs0 --port 27017 --dbpath /data/db1 --bind_ip 127.0.0.1
mongod --replSet rs0 --port 27018 --dbpath /data/db2 --bind_ip 127.0.0.1
mongod --replSet rs0 --port 27019 --dbpath /data/db3 --bind_ip 127.0.0.1
--replSet rs0：指定副本集的名称为 rs0。
--port：指定每个实例的端口号。
--dbpath：指定每个实例的数据存储路径。

2、连接到 MongoDB 实例

使用 mongo 命令连接到副本集中的一个实例（例如端口 27017）：

mongo --port 27017

3、初始化副本集

在 MongoDB shell 中执行以下命令来初始化副本集：

rs.initiate()

这将会启动副本集，并将当前节点设置为 Primary。如果系统中已经有多个节点在运行，MongoDB 会尝试自动加入其他节点。

4、添加其他节点到副本集

通过 rs.add() 命令添加更多的节点。例如，添加端口 27018 和 27019 的节点：

rs.add("localhost:27018")
rs.add("localhost:27019")

这样，副本集就完成了初始化，Primary 节点和 Secondary 节点开始同步数据。

2.查看副本集状态

使用 rs.status() 命令查看副本集的状态：

rs.status()

这将显示副本集的详细信息，包括各个节点的状态、选举情况等。

3.配置仲裁节点（Arbiter）

如果副本集中的节点数不为奇数，MongoDB 推荐配置一个仲裁节点来帮助选举过程。仲裁节点不存储数据，只负责选举工作，保证副本集的稳定性。

添加仲裁节点的命令：

rs.addArb("localhost:27020")

三、副本集的工作原理

1.数据同步与复制

副本集中的 Secondary 节点会持续从 Primary 节点拉取数据更新，确保所有副本节点的数据一致性。这个过程称为数据复制。

同步方式：Secondary 节点通过 oplog（操作日志）同步数据。oplog 是一个固定大小的循环日志，记录了所有对主节点的写操作。
增量同步：副本集节点并不会全量复制数据，而是通过增量同步的方式将变化的数据同步到副本节点，从而减少了带宽和存储的消耗。

2.自动故障切换（Failover）

副本集的一个重要特性是自动故障切换。当 Primary 节点宕机时，副本集会自动触发选举过程，选举一个 Secondary 节点为新的 Primary。这个过程通常会在几秒钟内完成，最大程度地减少系统的停机时间。

3.选举过程

副本集使用一种选举算法来选举新的 Primary 节点。选举过程的核心原则是：

副本集中的所有节点都可以参与选举。
选举过程通过比较节点的优先级和投票来决定新的 Primary 节点。
Arbiter 节点参与选举，但不存储数据，也不承担主节点角色。

4.写入一致性和读取一致性

MongoDB 副本集中的写操作通常是通过 Primary 节点执行的，而读取操作可以根据需求选择 Primary 或 Secondary 节点。MongoDB 提供了读取偏好（Read Preference）机制，允许开发者指定读取操作的优先级：

primary：只从 Primary 节点读取。
secondary：只从 Secondary 节点读取。
primaryPreferred：默认从 Primary 读取，如果 Primary 不可用则从 Secondary 读取。
secondaryPreferred：默认从 Secondary 读取，如果没有 Secondary 节点则从 Primary 读取。
nearest：从最近的节点读取，无论是 Primary 还是 Secondary。

四、副本集的管理与维护

1.监控副本集

MongoDB 提供了多种方式来监控副本集的健康状况和性能：

rs.status()：查看副本集的状态。
rs.printSlaveReplicationInfo()：查看副本集的复制信息。
mongostat：用于实时监控 MongoDB 实例的性能。
mongotop：查看 MongoDB 实例的操作情况和表的访问频率。

2.手动故障切换

在某些情况下，您可能需要手动触发副本集的故障切换。例如，当您需要将某个 Secondary 节点提升为 Primary 时，可以使用以下命令：

rs.stepDown()

这个命令会让当前的 Primary 节点退让，并触发选举过程。

3.数据恢复

如果副本集的某个节点丢失了数据，可以通过以下步骤恢复：

确保数据没有被完全覆盖，可以使用 --repair 参数进行修复。
从其他副本集成员中同步数据。