演讲实录：MySQL 8.0 中的复制技术
在近期的第七届数据技术嘉年华上，甲骨文MySQL研发工程师宋利兵做了“MySQL-8.0中的复制技术”为主题的演讲，介绍了MySQL-8.0中异步复制和Group Replication复制的发展方向，和已经实现了的新技术新特点。我们再次分享出来，希望对各位有所指导借鉴。
01
定义
02
MySQL复制技术的简单框架
首先在复制环境中，有两个server,在第一个server中产生binary log,通常将这一个server成为master，另外一台server会将master上的binary log复制过去，然后通过日志的应用，产生和master一样的数据库，这就是复制的基本理论。其基本流程如下：
当应用在master数据库上执行SQL语句，这些操作会被数据库捕捉并以event的形式写到binary log里面，并以文件的形式存储。通过通讯模块，这些event会被发送到swill上，swill上的接收线程，接收到这些event，然后存储到Redo log,接着由读取线程，读取这些event，并行地在复制数据库中执行，这样就产生和master一样的数据库。
binary log是MySQL复制的基础，MySQL的这些日志称为逻辑日志，里面记录的是SQL语句级别的，操作的是表中的行数据，它不关心数据在引擎里面是怎么存储的，存储格式是什么样的。
binary log有两种模式
一种是ROW format
一种是statement的格式
statement的格式很好理解，就是当SQL语句执行的时候，将语句以文本的形式存储在event里面，然后在slave上也是以SQL语句执行。 ROW格式是针对操作表的DML语句，ROW格式不记录原始的语句，而是把涉及到的行的内容记录到event里面去。两者相比，ROW格式的安全性更高，而statement的话有时候是依赖于环境的，比如会使用到随机数函数，这些函数在master和slave上执行的结果可能是不一致的，用ROW格式表示的是最后的结果，直接将最终的数据复制过去，所以不会产生这个问题。
另外ROW格式到slave上不需要做SQL解析，性能会更好一些。在8.0版本中，缺省的格式就是ROW的格式。
对于event，是由SQL语句组成的，是语句级别的。一般一个事务由很多个event构成。 一般在事务的开头，会有一个CTID event，这是一个全局唯一的ID号，接下来是一个begin的event，接下来是一系列的语句产生的event，最后以一个commit 的event构成。
上图对于ddl语句来说的话，就没有begin和commit。
我们看到，在binary log中存储的时候，一个事务是一个最小的存储单位，事务里面所有的语句都是顺序的，连续第存储在日志中的，不会出现两个事务的event穿插在一起。 除了事务产生的event之外，还有一些event是用来做控制的。
03
复制的三种模式
在很早以前，MySQL就引入了异步复制，从3.23的版本就开始了。异步复制是为MySQL的使用，以及保障MySQL中数据的高可用起到了很直观的作用。一直到现在，也一直在使用异步复制的模式，随着用户越来越多，使用场景越来越多，对复制技术也提出了更高的要求。在之前的异步复制模式中，事务的执行过程与语句的传输过程是完全隔离开的。master只管做它的操作，而不用去在乎数据是否传输到slave了。 这样的模式在一些对数据的可靠性要求很高的场景就会有问题，有可能会出现，用户发现我的数据都已经提交了，但是如果当master节点宕机切换到slave节点后，用户的数据不存在。
因此在5.5版本中引入了半同步复制，在半同步的极致中，事务执行的过程与event传输的过程是相关的，在master上，事务在写完bin log之后，是不会立即提交的，要等待它所产生的event已经被复制到其他节点之后并且其他节点已经给了应答，才会进行提交，这样就能保证所有用户提交的数据都能够在其他节点看到，这样可靠性就更高。
在5.7.17版本中，引入了新的复制模式叫做 group replication，在8.0中也有保留，GR和异步复制，和半同步复制比起来的话，有三个很明显的优势：
一是可靠性更高，主要体现在 GR中不会出现脑裂的情况。或者当网路中出现脑裂的情况的时候，不会产生不一致的数据，可以保障数据的一致性；
二是GR可以多写，支持多个节点或者所有的节点同时写。但并不会产生不一致的数据。
三是GR有组的概念，因此有许多组的自我管理的功能，在前两种复制方法中，都需要第三方的工具挥着程序来维护节点间的操作，比如做failover的时候，而在GR中，这些管理自己都可以完成。因此特别适合当前的大规模数据使用MySQL集群。
随着互联网的发展，云计算的发展，现在MySQL大部分都是采用集群的方式提供服务，因此集群使用MySQL的时候会有很多新的要求和特点。我接下来将会分几个类别介绍MySQL使用集群的场景。
01
replicate
这是最基本的一种，也就是高可用的架构。
高可用在以前都是使用异步复制和半同步复制，随着8.0的发布，GR方案越来越成熟，我们可以预计到更多的用户是使用group replication来作为最基本的高可用单元，由于上述提到的三个比较明显的优势，我们也推荐使用GR。
02
Automate
第二点，在大规模的使用集群的时候，我们也期望通过自动化来减少人力成本并提高效率。在GR中，本身就包含了许多自动化的功能。这主要是得益于组的概念，在整个集群中，每个节点都知道自己是在一个组里面，也能够知道所有其他节点的状态信息，因为他们之间是相互通讯的。在这种情况下，如果是出现了主节点的宕机，其他节点都会尽快感知到，并重新选出新的节点作为主节点。
GR的多写有两种模式，单组的模式主要用于异步方式的替代。在异步的复制里面，如果宕机的话，还需要通过工具或者程序去检测宕机，但GR能够自己感知到。并且不会出现两个节点同时在线或者数据不一致的情况。
03
数据的集成——Integrate
在数据库中存储了大量的数据，现在越来越多的企业在做数据的分析，在MySQL 的GR中，一种方案是是binary Log中的数据导出来，并重新导入到其他的平台进行分析，在这个过程中，我们加入了很多的元数据信息进来，让用户更好地了解数据所代表的含义。方便用户做相应的数据转换。
04
做远程的灾备
对于物理距离跨度较大的，可以通过异步的复制方式进行传输，对于大批量的数据读取，在性能上也有较大的提升。
GR是一个基础的高可用的架构，也可以在此基础上，做一些读数据的性能扩展。但这方面会受到一定的限制。
由于存在组的管理，如果要将组里面的数据复制出去，或者从其他节点把数据复制到组里面，都是支持的，因此可以很方便地结合异步复制和Group Replication的使用。
当然，MySQL一直在致力于做一个完整的解决方案，因此推出了 InnoDB Cluster，InnoDB包括的组件有：shell, rooter，还有以 group replication为核心的高可用的集群，因为GR知道组的概念，因此在shell里面集成了Cluster的概念在里面，包含 Cluster管理的功能和命令，因此在部署InnoDB d cluster会很简单容易，而通过rooter则实现负载均衡，读写分离等功能。这样就构成了一个完整的数据库的集群系统，而不需要任何的第三方工具。
接下来我们介绍8.0中在复制技术上的新特性。
主要包含以下几个方面：
01
binary log中的元数据
元数据的作用一方面是让用户更方便地抽取数据，另外对于MySQL自身的复制也有帮助，比如说可以做字符集的转换，可以很准确地判断master和slave的数据类型是否一致，当然这些功能目前还没有完全实现，目前只是在binary log里面放置了更丰富的元数据信息。
这些元数据主要分为两类。
一类是在GTID event里面增加了元数据。另一个是事务的长度，也就是事务中所包含的所有event加起来的长度。还增加了commit event中的时间戳。这里的时间错是毫秒级别的，方便我们监控数据复制的延迟。
第二类是table map event主要是增加了各个字段的具体类型，有没有符号，所属的字符集，还包括列的名字，主键，枚举型和集合型的字符串的值。都会记录到元数据信息里面。这样在抽取数据的时候就可以准确地知道数据的类型，会非常方便。
02
操作上的新特性
这里有一个很重要的就是多元复制，利用多元复制的很多场景就是主要用来做数据的聚合，有一种场景是我只要某个表的一部分数据，或者是一些做了分片的表，如果需要做聚合的话，就首先需要做过滤，而在8.0中，主要是在过滤功能上做了很多增强。每个通道可以设置自己的过滤策略。
例如在图中，在A节点有三张表，B节点有其他的表，可以单独制定规则为：从A到B的数据复制，三张表全部复制，而从B到C的通道，则指定规则为不复制user的表。
而Group Replication则会保护数据系统，保证每个节点都不会被意外地更新。
一个节点要加入到组里面再到生效，是需要一个过程的。首先要将节点加入到网络里面，使节点能够互相感知，之后才能加入到组里面。有可能在加入网络之后，还没有加入到组里面，此时应用已经发现了这个节点，或者直接将信息发给这个新的节点了，这时候很可能会产生数据不一致。
因此为了保证组内节点间数据的一致性，需要在将节点加入网络前先将其属性设置为 read-only,而等他加入之后，会根据自己的角色，自动地进行角色的切换，也就是说不需要将它read-only的属性再手动修改。比如如果它在组中是slave角色，就保持read-only，如果它被选为master，则会切换为read-write。
当一个节点离开组的时候也是一样的原理，会自动切换自己的属性。也就是说当它不再组中的时候，如果管理人员忘记将它删除，也没有关系，因为它的属性会自动被切换为read-only，即使把数据发给它，它也不会接收的。
集群里面有很多的机器，这些机器之间，可能他们的机器配置，地理位置等信息都是不一样的，这时候用户可能有不同的数据操作需求，比如需要特定地理位置的，或者特定配置的。希望将这些具有某些相同属性的节点选为组，因此在8.0中增加了一个功能就是用户可以设置每个节点的权重，这个参数就是 Group Replication Election Weights,可以对每个节点做独立的权重配置，在选举的时候，权重最大的节点会被选取为master节点。
03
句群管理的流控机制
在集群中，我们希望各个节点间的数据都是同步的，没有延迟。但可能因为一些意外的情况导致数据延迟，因此我们加入了更多的参数在里面，用户只需要对参数进行调整和配置。当集群发现存在数据不同步的现象时，会自动地做流控。
04
监控方面的新特性
刚才我们提到了在GTID的event里面加了commit的时间戳，这个时间戳是毫秒级的，因此可以在毫秒级别监控复制的延迟。有两个时间戳，第一个是最初产生事务的event对应的时间戳，所有的节点在完成事务，在记录binary log的时候，会把这个时间戳保留。另外在节点上，还会记录一个自己的时间戳。因此，通过对比就可以知道两个节点之间的延迟。这样就可以方便地监控每两个节点之间数据传输的延迟.
在组之间的节点数据同步方面，一般来说，对于一些业务逻辑复杂的， 比如节点在加入组的时候，对于新节点的数据复制，本身就是通过异步复制来完成的。8.0中对于Group replication的监控也做了一些增强，在replication Group Member的表，增加了一些字段，可以在任何节点上查到所有节点的状态信息。能够更好地监控组成员的信息，包括哪个节点是master，哪个节点是slave，所有节点的版本信息。
05
性能方面的新特性
在性能上最重要的一个特性是基于 writeset的并发策略。
writeset本质上就是基于主键的，或者说是基于行的并发策略。如果两个事务修改了不同行的数据，由于主键不同，就可以并发执行。在此时执行就会有一个明显的特点。当master上只有一个线程的时候，在slave上的并发执行性能会比较高，比master上会高很多，master上只有少数的线程，并发量不是很大的时候，slave上的性能页还保持较好，这是因为在一个线程上的事务，只要是修改不同的行，互相不会影响的。因此基于writeset的并发机制，在slave上都会以最大并发的方式执行。
在有些用户场景下，我们可能会希望同一个session里面，不能做并发执行。因为可能与某些业务逻辑冲突。因此还有基于writeset的另一种机制。会判断是否是同一个session的事务。如果是同一个session的，则会进行顺序执行。
writeset最大的好处是：当slave要追master的数据，或者创建了一个新的slave需要同步之前的数据的时候，可以极大地提高性能。
以下是不使用和使用writeset的性能对比测试。
总的来说，当master上的线程数量不是很多的时候，writeset会起到比较好的性能改善作用。
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针对JSON文档支持的一个新特性
JSON在MySQL中本质上是以block或者text的字段形式来存储的，一般会比较大，但我们在更新的时候常常只更新其中很小的一部分。以前在更新的时候，会把整个字段都存储到binary log中再进行修改，这样占用的空间就比较大。如果应用完全使用JSON的方式的话，就会造成很大的空间浪费。在8.0 中，在将内容加入到binary log之前会检测，这个字段到底更新了多少，在binary log中只记录一部分。
从上图可以看出，对于空间的节省还是很明显的。以下是对partial JSON的性能测试结果：根据JSON对象修改的比例，性能也有一些差异。
07
其他方面的新特性
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