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24 MySQL是怎么保证主备一致的？
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在前面的文章中，我不止一次地和你提到了 binlog，大家知道 binlog 可以用来归档，也可以用来做主备同步，但它的内容是什么样的呢？为什么备库执行了 binlog 就可以跟主库保持一致了呢？今天我就正式地和你介绍一下它。
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毫不夸张地说，MySQL 能够成为现下最流行的开源数据库，binlog 功不可没。
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在最开始，MySQL 是以容易学习和方便的高可用架构，被开发人员青睐的。而它的几乎所有的高可用架构，都直接依赖于 binlog。虽然这些高可用架构已经呈现出越来越复杂的趋势，但都是从最基本的一主一备演化过来的。
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今天这篇文章我主要为你介绍主备的基本原理。理解了背后的设计原理，你也可以从业务开发的角度，来借鉴这些设计思想。
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MySQL 主备的基本原理
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如图 1 所示就是基本的主备切换流程。
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图 1 MySQL 主备切换流程
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在状态 1 中，客户端的读写都直接访问节点 A，而节点 B 是 A 的备库，只是将 A 的更新都同步过来，到本地执行。这样可以保持节点 B 和 A 的数据是相同的。
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当需要切换的时候，就切成状态 2。这时候客户端读写访问的都是节点 B，而节点 A 是 B 的备库。
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在状态 1 中，虽然节点 B 没有被直接访问，但是我依然建议你把节点 B（也就是备库）设置成只读（readonly）模式。这样做，有以下几个考虑：
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有时候一些运营类的查询语句会被放到备库上去查，设置为只读可以防止误操作；
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防止切换逻辑有 bug，比如切换过程中出现双写，造成主备不一致；
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可以用 readonly 状态，来判断节点的角色。
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你可能会问，我把备库设置成只读了，还怎么跟主库保持同步更新呢？
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这个问题，你不用担心。因为 readonly 设置对超级 (super) 权限用户是无效的，而用于同步更新的线程，就拥有超级权限。
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接下来，我们再看看节点 A 到 B 这条线的内部流程是什么样的。图 2 中画出的就是一个 update 语句在节点 A 执行，然后同步到节点 B 的完整流程图。
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图 2 主备流程图
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图 2 中，包含了我在上一篇文章中讲到的 binlog 和 redo log 的写入机制相关的内容，可以看到：主库接收到客户端的更新请求后，执行内部事务的更新逻辑，同时写 binlog。
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备库 B 跟主库 A 之间维持了一个长连接。主库 A 内部有一个线程，专门用于服务备库 B 的这个长连接。一个事务日志同步的完整过程是这样的：
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在备库 B 上通过 change master 命令，设置主库 A 的 IP、端口、用户名、密码，以及要从哪个位置开始请求 binlog，这个位置包含文件名和日志偏移量。
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在备库 B 上执行 start slave 命令，这时候备库会启动两个线程，就是图中的 io_thread 和 sql_thread。其中 io_thread 负责与主库建立连接。
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主库 A 校验完用户名、密码后，开始按照备库 B 传过来的位置，从本地读取 binlog，发给 B。
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备库 B 拿到 binlog 后，写到本地文件，称为中转日志（relay log）。
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sql_thread 读取中转日志，解析出日志里的命令，并执行。
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这里需要说明，后来由于多线程复制方案的引入，sql_thread 演化成为了多个线程，跟我们今天要介绍的原理没有直接关系，暂且不展开。
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分析完了这个长连接的逻辑，我们再来看一个问题：binlog 里面到底是什么内容，为什么备库拿过去可以直接执行。
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binlog 的三种格式对比
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我在[第 15 篇答疑文章]中，和你提到过 binlog 有两种格式，一种是 statement，一种是 row。可能你在其他资料上还会看到有第三种格式，叫作 mixed，其实它就是前两种格式的混合。
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为了便于描述 binlog 的这三种格式间的区别，我创建了一个表，并初始化几行数据。
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mysql> CREATE TABLE `t` (
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`id` int(11) NOT NULL,
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`a` int(11) DEFAULT NULL,
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`t_modified` timestamp NOT NULL DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP,
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PRIMARY KEY (`id`),
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KEY `a` (`a`),
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KEY `t_modified`(`t_modified`)
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) ENGINE=InnoDB;
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insert into t values(1,1,'2018-11-13');
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insert into t values(2,2,'2018-11-12');
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insert into t values(3,3,'2018-11-11');
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insert into t values(4,4,'2018-11-10');
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insert into t values(5,5,'2018-11-09');
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如果要在表中删除一行数据的话，我们来看看这个 delete 语句的 binlog 是怎么记录的。
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注意，下面这个语句包含注释，如果你用 MySQL 客户端来做这个实验的话，要记得加 -c 参数，否则客户端会自动去掉注释。
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mysql> delete from t /*comment*/ where a>=4 and t_modified<='2018-11-10' limit 1;
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当 binlog_format=statement 时，binlog 里面记录的就是 SQL 语句的原文。你可以用
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mysql> show binlog events in 'master.000001';
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命令看 binlog 中的内容。
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图 3 statement 格式 binlog 示例
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现在，我们来看一下图 3 的输出结果。
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第一行 SET @@SESSION.GTID_NEXT=‘ANONYMOUS’你可以先忽略，后面文章我们会在介绍主备切换的时候再提到；
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第二行是一个 BEGIN，跟第四行的 commit 对应，表示中间是一个事务；
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第三行就是真实执行的语句了。可以看到，在真实执行的 delete 命令之前，还有一个“use ‘test’”命令。这条命令不是我们主动执行的，而是 MySQL 根据当前要操作的表所在的数据库，自行添加的。这样做可以保证日志传到备库去执行的时候，不论当前的工作线程在哪个库里，都能够正确地更新到 test 库的表 t。
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use ‘test’命令之后的 delete 语句，就是我们输入的 SQL 原文了。可以看到，binlog“忠实”地记录了 SQL 命令，甚至连注释也一并记录了。
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最后一行是一个 COMMIT。你可以看到里面写着 xid=61。你还记得这个 XID 是做什么用的吗？如果记忆模糊了，可以再回顾一下[第 15 篇文章]中的相关内容。
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为了说明 statement 和 row 格式的区别，我们来看一下这条 delete 命令的执行效果图：
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图 4 delete 执行 warnings
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可以看到，运行这条 delete 命令产生了一个 warning，原因是当前 binlog 设置的是 statement 格式，并且语句中有 limit，所以这个命令可能是 unsafe 的。
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为什么这么说呢？这是因为 delete 带 limit，很可能会出现主备数据不一致的情况。比如上面这个例子：
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如果 delete 语句使用的是索引 a，那么会根据索引 a 找到第一个满足条件的行，也就是说删除的是 a=4 这一行；
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但如果使用的是索引 t_modified，那么删除的就是 t_modified=‘2018-11-09’也就是 a=5 这一行。
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由于 statement 格式下，记录到 binlog 里的是语句原文，因此可能会出现这样一种情况：在主库执行这条 SQL 语句的时候，用的是索引 a；而在备库执行这条 SQL 语句的时候，却使用了索引 t_modified。因此，MySQL 认为这样写是有风险的。
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那么，如果我把 binlog 的格式改为 binlog_format=‘row’， 是不是就没有这个问题了呢？我们先来看看这时候 binog 中的内容吧。
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图 5 row 格式 binlog 示例
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可以看到，与 statement 格式的 binlog 相比，前后的 BEGIN 和 COMMIT 是一样的。但是，row 格式的 binlog 里没有了 SQL 语句的原文，而是替换成了两个 event：Table_map 和 Delete_rows。
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Table_map event，用于说明接下来要操作的表是 test 库的表 t;
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Delete_rows event，用于定义删除的行为。
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其实，我们通过图 5 是看不到详细信息的，还需要借助 mysqlbinlog 工具，用下面这个命令解析和查看 binlog 中的内容。因为图 5 中的信息显示，这个事务的 binlog 是从 8900 这个位置开始的，所以可以用 start-position 参数来指定从这个位置的日志开始解析。
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mysqlbinlog -vv data/master.000001 --start-position=8900;
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图 6 row 格式 binlog 示例的详细信息
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从这个图中，我们可以看到以下几个信息：
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server id 1，表示这个事务是在 server_id=1 的这个库上执行的。
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每个 event 都有 CRC32 的值，这是因为我把参数 binlog_checksum 设置成了 CRC32。
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Table_map event 跟在图 5 中看到的相同，显示了接下来要打开的表，map 到数字 226。现在我们这条 SQL 语句只操作了一张表，如果要操作多张表呢？每个表都有一个对应的 Table_map event、都会 map 到一个单独的数字，用于区分对不同表的操作。
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我们在 mysqlbinlog 的命令中，使用了 -vv 参数是为了把内容都解析出来，所以从结果里面可以看到各个字段的值（比如，@1=4、 @2=4 这些值）。
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binlog_row_image 的默认配置是 FULL，因此 Delete_event 里面，包含了删掉的行的所有字段的值。如果把 binlog_row_image 设置为 MINIMAL，则只会记录必要的信息，在这个例子里，就是只会记录 id=4 这个信息。
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最后的 Xid event，用于表示事务被正确地提交了。
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你可以看到，当 binlog_format 使用 row 格式的时候，binlog 里面记录了真实删除行的主键 id，这样 binlog 传到备库去的时候，就肯定会删除 id=4 的行，不会有主备删除不同行的问题。
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为什么会有 mixed 格式的 binlog？
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基于上面的信息，我们来讨论一个问题：为什么会有 mixed 这种 binlog 格式的存在场景？ 推论过程是这样的：
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因为有些 statement 格式的 binlog 可能会导致主备不一致，所以要使用 row 格式。
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但 row 格式的缺点是，很占空间。比如你用一个 delete 语句删掉 10 万行数据，用 statement 的话就是一个 SQL 语句被记录到 binlog 中，占用几十个字节的空间。但如果用 row 格式的 binlog，就要把这 10 万条记录都写到 binlog 中。这样做，不仅会占用更大的空间，同时写 binlog 也要耗费 IO 资源，影响执行速度。
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所以，MySQL 就取了个折中方案，也就是有了 mixed 格式的 binlog。mixed 格式的意思是，MySQL 自己会判断这条 SQL 语句是否可能引起主备不一致，如果有可能，就用 row 格式，否则就用 statement 格式。
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也就是说，mixed 格式可以利用 statment 格式的优点，同时又避免了数据不一致的风险。
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因此，如果你的线上 MySQL 设置的 binlog 格式是 statement 的话，那基本上就可以认为这是一个不合理的设置。你至少应该把 binlog 的格式设置为 mixed。
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比如我们这个例子，设置为 mixed 后，就会记录为 row 格式；而如果执行的语句去掉 limit 1，就会记录为 statement 格式。
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当然我要说的是，现在越来越多的场景要求把 MySQL 的 binlog 格式设置成 row。这么做的理由有很多，我来给你举一个可以直接看出来的好处：恢复数据。
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接下来，我们就分别从 delete、insert 和 update 这三种 SQL 语句的角度，来看看数据恢复的问题。
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通过图 6 你可以看出来，即使我执行的是 delete 语句，row 格式的 binlog 也会把被删掉的行的整行信息保存起来。所以，如果你在执行完一条 delete 语句以后，发现删错数据了，可以直接把 binlog 中记录的 delete 语句转成 insert，把被错删的数据插入回去就可以恢复了。
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如果你是执行错了 insert 语句呢？那就更直接了。row 格式下，insert 语句的 binlog 里会记录所有的字段信息，这些信息可以用来精确定位刚刚被插入的那一行。这时，你直接把 insert 语句转成 delete 语句，删除掉这被误插入的一行数据就可以了。
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如果执行的是 update 语句的话，binlog 里面会记录修改前整行的数据和修改后的整行数据。所以，如果你误执行了 update 语句的话，只需要把这个 event 前后的两行信息对调一下，再去数据库里面执行，就能恢复这个更新操作了。
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其实，由 delete、insert 或者 update 语句导致的数据操作错误，需要恢复到操作之前状态的情况，也时有发生。MariaDB 的Flashback工具就是基于上面介绍的原理来回滚数据的。
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虽然 mixed 格式的 binlog 现在已经用得不多了，但这里我还是要再借用一下 mixed 格式来说明一个问题，来看一下这条 SQL 语句：
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mysql> insert into t values(10,10, now());
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如果我们把 binlog 格式设置为 mixed，你觉得 MySQL 会把它记录为 row 格式还是 statement 格式呢？
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先不要着急说结果，我们一起来看一下这条语句执行的效果。
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图 7 mixed 格式和 now()
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可以看到，MySQL 用的居然是 statement 格式。你一定会奇怪，如果这个 binlog 过了 1 分钟才传给备库的话，那主备的数据不就不一致了吗？
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接下来，我们再用 mysqlbinlog 工具来看看：
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图 8 TIMESTAMP 命令
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从图中的结果可以看到，原来 binlog 在记录 event 的时候，多记了一条命令：SET TIMESTAMP=1546103491。它用 SET TIMESTAMP 命令约定了接下来的 now() 函数的返回时间。
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因此，不论这个 binlog 是 1 分钟之后被备库执行，还是 3 天后用来恢复这个库的备份，这个 insert 语句插入的行，值都是固定的。也就是说，通过这条 SET TIMESTAMP 命令，MySQL 就确保了主备数据的一致性。
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我之前看过有人在重放 binlog 数据的时候，是这么做的：用 mysqlbinlog 解析出日志，然后把里面的 statement 语句直接拷贝出来执行。
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你现在知道了，这个方法是有风险的。因为有些语句的执行结果是依赖于上下文命令的，直接执行的结果很可能是错误的。
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所以，用 binlog 来恢复数据的标准做法是，用 mysqlbinlog 工具解析出来，然后把解析结果整个发给 MySQL 执行。类似下面的命令：
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mysqlbinlog master.000001 --start-position=2738 --stop-position=2973 | mysql -h127.0.0.1 -P13000 -u$user -p$pwd;
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这个命令的意思是，将 master.000001 文件里面从第 2738 字节到第 2973 字节中间这段内容解析出来，放到 MySQL 去执行。
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循环复制问题
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通过上面对 MySQL 中 binlog 基本内容的理解，你现在可以知道，binlog 的特性确保了在备库执行相同的 binlog，可以得到与主库相同的状态。
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因此，我们可以认为正常情况下主备的数据是一致的。也就是说，图 1 中 A、B 两个节点的内容是一致的。其实，图 1 中我画的是 M-S 结构，但实际生产上使用比较多的是双 M 结构，也就是图 9 所示的主备切换流程。
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图 9 MySQL 主备切换流程 – 双 M 结构
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对比图 9 和图 1，你可以发现，双 M 结构和 M-S 结构，其实区别只是多了一条线，即：节点 A 和 B 之间总是互为主备关系。这样在切换的时候就不用再修改主备关系。
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但是，双 M 结构还有一个问题需要解决。
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业务逻辑在节点 A 上更新了一条语句，然后再把生成的 binlog 发给节点 B，节点 B 执行完这条更新语句后也会生成 binlog。（我建议你把参数 log_slave_updates 设置为 on，表示备库执行 relay log 后生成 binlog）。
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那么，如果节点 A 同时是节点 B 的备库，相当于又把节点 B 新生成的 binlog 拿过来执行了一次，然后节点 A 和 B 间，会不断地循环执行这个更新语句，也就是循环复制了。这个要怎么解决呢？
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从上面的图 6 中可以看到，MySQL 在 binlog 中记录了这个命令第一次执行时所在实例的 server id。因此，我们可以用下面的逻辑，来解决两个节点间的循环复制的问题：
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规定两个库的 server id 必须不同，如果相同，则它们之间不能设定为主备关系；
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一个备库接到 binlog 并在重放的过程中，生成与原 binlog 的 server id 相同的新的 binlog；
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每个库在收到从自己的主库发过来的日志后，先判断 server id，如果跟自己的相同，表示这个日志是自己生成的，就直接丢弃这个日志。
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按照这个逻辑，如果我们设置了双 M 结构，日志的执行流就会变成这样：
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从节点 A 更新的事务，binlog 里面记的都是 A 的 server id；
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传到节点 B 执行一次以后，节点 B 生成的 binlog 的 server id 也是 A 的 server id；
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再传回给节点 A，A 判断到这个 server id 与自己的相同，就不会再处理这个日志。所以，死循环在这里就断掉了。
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小结
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今天这篇文章，我给你介绍了 MySQL binlog 的格式和一些基本机制，是后面我要介绍的读写分离等系列文章的背景知识，希望你可以认真消化理解。
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binlog 在 MySQL 的各种高可用方案上扮演了重要角色。今天介绍的可以说是所有 MySQL 高可用方案的基础。在这之上演化出了诸如多节点、半同步、MySQL group replication 等相对复杂的方案。
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我也跟你介绍了 MySQL 不同格式 binlog 的优缺点，和设计者的思考。希望你在做系统开发时候，也能借鉴这些设计思想。
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最后，我给你留下一个思考题吧。
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说到循环复制问题的时候，我们说 MySQL 通过判断 server id 的方式，断掉死循环。但是，这个机制其实并不完备，在某些场景下，还是有可能出现死循环。
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你能构造出一个这样的场景吗？又应该怎么解决呢？
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你可以把你的设计和分析写在评论区，我会在下一篇文章跟你讨论这个问题。感谢你的收听，也欢迎你把这篇文章分享给更多的朋友一起阅读。
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上期问题时间
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上期我留给你的问题是，你在什么时候会把线上生产库设置成“非双 1”。我目前知道的场景，有以下这些：
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业务高峰期。一般如果有预知的高峰期，DBA 会有预案，把主库设置成“非双 1”。
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备库延迟，为了让备库尽快赶上主库。@永恒记忆和 @Second Sight 提到了这个场景。
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用备份恢复主库的副本，应用 binlog 的过程，这个跟上一种场景类似。
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批量导入数据的时候。
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一般情况下，把生产库改成“非双 1”配置，是设置 innodb_flush_logs_at_trx_commit=2、sync_binlog=1000。
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