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摘要：備份服務器保存數(shù)據(jù)副本，在主服務器故障時參與選舉。成員進入回滾階段，即會被置為此狀態(tài)，回滾完成之后進入狀態(tài)，隨后變成備份服務器。
一、MongoDB簡介
MongoDB是一個面向文檔的數(shù)據(jù)庫，其實是一個介于關系型與非關系型之間的數(shù)據(jù)庫。在MongoDB的世界里，沒有行(row)的概念，取而代之的是文檔（document）模型，文檔內(nèi)還能嵌入文檔、數(shù)組等，非常靈活。它支持json和bson的數(shù)據(jù)格式，可以存儲比較復雜的數(shù)據(jù)類型，因而也受到廣大DBA的青睞。
在生產(chǎn)環(huán)境中，很少用單節(jié)點來支撐業(yè)務流量，主要是節(jié)點性能與數(shù)據(jù)安全性方面的考慮，MongoDB可以用副本集來實現(xiàn)數(shù)據(jù)備份、故障恢復等功能，使用分片技術來使集群存儲更多的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)更大的負載，也能保證存儲的負載均衡。本文主要介紹的是副本集，有關分片技術會在后面的文章中來進行介紹。
副本集是一組運行著mongod進程的服務器，維護著同一個數(shù)據(jù)集，其中有一個是主服務器（primary），用于處理客戶端請求，其他節(jié)點為備份服務器(secondary)，用于保存數(shù)據(jù)庫副本。當主服務器掛掉的時候，其他備份服務器會自動選取一個節(jié)點作為新的主服務器，保證數(shù)據(jù)安全性、業(yè)務可用性。
下面是官方提供的一張架構(gòu)圖：
主服務器（primary）接受所有客戶端的讀寫請求（可以通過配置使得備份服務器也能接受讀請求，在要求數(shù)據(jù)強一致性的環(huán)境中不建議這樣做），主服務器會將對數(shù)據(jù)的改動記錄到operation log中，即oplog（類似MySQL中的binlog），備份服務器會從主服務器中復制此日志，然后應用到自身數(shù)據(jù)庫中，以保證數(shù)據(jù)與主庫中一致。副本集中各個節(jié)點之間會互相發(fā)送心跳報文來獲取各個節(jié)點的信息。
當主服務器（primary）宕機或者由于網(wǎng)絡故障與其它節(jié)點失去聯(lián)系之后（10秒），其中一個備份服務器會發(fā)起選舉流程來將自己提升為新的主服務器。整個過程一般在一分鐘之內(nèi)完成。
在介紹復制原理之前先來看一下整個副本集中會有哪些成員，它們的功能分別是什么。
1、主服務器（primary）主服務器用于處理客戶端請求，默認情況下，客戶端的讀寫請求都到達主服務器。
2、備份服務器（secondary）保存數(shù)據(jù)副本，在主服務器故障時參與選舉。用于保障集群高可用。默認情況下備份服務器不接受讀請求。
3、仲裁者（arbiter）MongoDB支持一種特殊類型的成員--仲裁者（arbiter）。它不用于保存數(shù)據(jù)，唯一能施展拳腳的地方就是參與選舉過程，履行投票的義務。如果應用數(shù)據(jù)比較小，但又想使用副本集來預防數(shù)據(jù)意外丟失的風險，使用多個數(shù)據(jù)節(jié)點比較浪費資源，這時仲裁者將是不二之選。它可以作為一個輕量級的進程運行在一臺配置比較差的服務器上。可以將其部署在與數(shù)據(jù)節(jié)點不同的故障域內(nèi)，這樣將會增強副本集的健壯性。
在使用仲裁者的時候應該注意以下兩個限制：
1、一個副本集中只能有一個仲裁者
2、如果條件允許，能使用數(shù)據(jù)節(jié)點的時候就不要使用仲裁者
在小副本集中，比如三個節(jié)點的副本集，使用一個主服務器、一個備份服務器、一個仲裁者，假設主服務器掛掉（連數(shù)據(jù)都損壞），另外一個備份服務器升為主服務器，這個時候如果新的主服務器也掛掉，而仲裁者又不保存數(shù)據(jù)，那將是毀滅性的打擊。所以選擇使用仲裁者之前一定要作各方面考慮。
以上三種即是一個副本集中主要的成員類型，下面兩種其實也是備份節(jié)點，但由于有一些特別的功能，所以多帶帶介紹。
4、隱藏成員隱藏成員不會作為一個副本集中的復制源，而且對于客戶端來說，它是不可見的（只有當其優(yōu)先級為0時才能設置為隱藏成員）。很多朋友喜歡將一些性能不那么強大的服務器隱藏起來。
5、延遲備份節(jié)點顧名思義，延遲備份節(jié)點是比主服務器數(shù)據(jù)落后某一段時間的節(jié)點。此節(jié)點的目的是為了防止出現(xiàn)重大故障，比如DBA朋友小手一抖將某些數(shù)據(jù)給刪掉了，執(zhí)行完刪除命令之后頓悟，這個時候主服務器上數(shù)據(jù)沒了，跑得快的備份服務器上數(shù)據(jù)也沒有了，但由于延遲備份節(jié)點配置為落后主服務器一段時間，它上面的數(shù)據(jù)還在，這個副本集就還能一救。
延遲備份節(jié)點的優(yōu)先級也需為0，并且為了保證數(shù)據(jù)一致性，還需要將延遲備份節(jié)點設置為隱藏成員。
MongoDB的復制功能通過操作日志oplog來實現(xiàn)。客戶端對數(shù)據(jù)的更改操作會寫進oplog中，它其實也是一個集合，存放于local數(shù)據(jù)庫中，比較特殊的是它是一個固定大小的集合（capped collection），也就是說它并不是保存了所有對數(shù)據(jù)庫的更改操作，只是一部分，當記錄占滿了這個集合時，新的操作日志會將老的沖掉。副本集中每一個成員都會維護一份自己的oplog。
另外，如果將oplog中的某一個操作在節(jié)點上執(zhí)行多次，其實與執(zhí)行一次的效果是一樣的。這樣設計的好處是為了避免備份節(jié)點同步過程中主服務器掛掉，從新的主服務器上拷貝過來的oplog中與從舊的主服務器上拷貝過來的oplog有重疊。
MongoDB的數(shù)據(jù)同步大體也可分為兩種：初始化同步（Initial Syncing）和增量同步。
我們也可以將其理解為全量同步。一般在副本集中成員啟動后或者新加入成員就會進入這一個階段。
觸發(fā)初始化同步有以下三個條件：
local數(shù)據(jù)庫中的oplog.rs 集合為空。
minValid集合里面存儲的是_initialSyncFlag（用于init sync失敗處理）
initialSyncRequested是true（用于resync命令，resync適用于主從架構(gòu)，副本集不適用）
整個初始化同步階段包括以下幾個步驟：
選擇同步源。此時它會在local.me中創(chuàng)建一個屬于自己的標識符，然后會將自己所有的數(shù)據(jù)都刪除掉（local數(shù)據(jù)庫除外），以一個全新的自己來進行同步。
克隆（clone）。簡單理解，就是將同步源上的所有數(shù)據(jù)復制到本地。
克隆完成之后就開始進入oplog同步階段，這個階段分兩步，第一步：如果克隆過程中文檔被移動，重新進行克隆；第二步：將第一步中的操作記錄下來。
創(chuàng)建索引。
將創(chuàng)建索引期間主服務器發(fā)生的數(shù)據(jù)更改進行同步。
初始化同步結(jié)束，節(jié)點變成備份服務器。
2、增量同步當初始化同步完成之后，就進入增量同步階段，備份節(jié)點在初始化同步結(jié)束后的第一時間就通過tailable cursor來不斷從主服務器上拉取oplog，然后應用到自身的數(shù)據(jù)庫中。tailable cursor游標類似linux里的tailf命令。增量同步會用幾個線程來協(xié)作完成，具體過程在以后的文章的介紹。
五、成員狀態(tài)我們已經(jīng)知道副本集中各個節(jié)點之間每隔2秒（可通過抓包看出）會發(fā)送心跳報文，報文中會包含節(jié)點自身的狀態(tài)信息，下面來看看成員會有哪些狀態(tài)，什么情況下會進入這些狀態(tài)。
RPIMARY：主服務器專屬。
SECONDARY：備份服務器專屬。
ARBITER：仲裁者專屬。
STARTUP：當成員剛啟動時就進入這個狀態(tài)，本狀態(tài)會加載一些副本集配置信息，等到加載完畢就進入STARTUP2階段。
STARTUP2：我們在上一節(jié)提到了初始化同步，在整個初始化同步過程中成員的狀態(tài)都是STARTUP2。
RECOVERING：每個成員成為備份節(jié)點之前都會先進入這個狀態(tài)。這個狀態(tài)表明節(jié)點是在正常運轉(zhuǎn)的，但是還需進一步對自身做一些檢查，處于此狀態(tài)的成員不能處理讀請求。
DOWN：成員失聯(lián)的情況下會處于DOWN狀態(tài)。
UNKNOWN：副本集中某個成員連不上其他成員，其他成員無法獲知它的狀態(tài)信息，那它就會被置為UNKNOWN狀態(tài)。
REMOVED：成員被移出副本集，即被置為此狀態(tài)。
ROLLBACK：成員進入回滾階段，即會被置為此狀態(tài)，回滾完成之后進入RECOVERING狀態(tài)，隨后變成備份服務器。
FATAL：成員出現(xiàn)無法自動修復的故障之后會被置為此狀態(tài)。
官方將這11個狀態(tài)分為三大類：
Core States（包含RPIMARY、SECONDARY和ARBITER）、Other States（包含STARTUP、STARTUP2和RECOVERING）、Error States（包含UNKNOWN、DOWN、REMOVED、ROLLBACK和FATAL）。
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