Mongodb源码分析--Replication之主从模式--Master

swsrl

mongodb中提供了复制(Replication)机制，通过该机制可以帮助我们很容易实现读写分离方案，并支持灾难恢复（服务器断电）等意外情况下的数据安全。

      在老版本(1.6)中，Mongo提供了两种方式的复制：master-slave及replica pair模式（注:mongodb最新支持的replset复制集方式可看成是pair的升级版，它解决pair只能在两个结点间同步的限制，支持多个结点同步且支持主从宕机时的自动切换, 在1.6版以后提供）。
   

      利用前者，我们可以实现读写分离（主从复制模式），后者则支持当主服务器断电情况下的集群中其它slave自动接管，并升级为主服务器。 并且如果后来的也出错了，那么master状态将会转回给第一个服务器（之前宕机但后来又恢复运行的服务器）。

      同时mongodb支持使用安全认证（enable）。不管哪种replicate方式，只要在master/slave中创建一个能为各个database认识的用户名/密码即可。其认证过程如下：


    slave先在local.system.users里查找一个名为"repl"的用户，找到后用它去认证master。如果"repl"用户没有找到，则使用local.system.users中的第一个用户去认证。local数据库和admin数据库一样，local中的用户可以访问整个db server。

    下面介绍分别介绍一下这两种复制的配置方式：
   
    Master-Slave(主从)模式:
     一个server可以同时为master和slave。一个slave可以有多个master（不推荐，可能会产生不可预期的结果）。

     配置选项：
     --master  以主服务器方式启动
     --slave   以从服务器方式启动
     --autoresync：自动重新sync，因为该操作会copy 主服务器上的所有document，比较耗时，在10分钟内最多只会进行一次。
     --oplogSize：指定master上用于存放更改的数据量，如果不指定，在32位机上最少为50M，在64位机上最少为 1G，最大为磁盘空间的5%。
     --source  主服务器地址（与--slave组合使用）
     --only    仅限于同步指定数据库（下面示例为test库）
     --slavedelay  同步延时

     下面是本人在本地为了测试方便所使用的配置参数
        Master:  IP->10.0.1.103        


mongod --dbpath=d:\mongodb\db --master --oplogSize 64        Slave:   IP->10.0.4.210
        


mongod --dbpath=d:\mongodb\db --slave --source 10.0.1.103:27017 --only test --slavedelay 100
     


    补充：受限的master-master复制，这种模式对插入、查询及根据_id进行的删除操作都是安全的。但对同一对象的并发更新无法进行。Mongo 不支持完全的master-master复制，通常情况下不推荐使用master-master模式，但在一些特定的情况下master-master也可用。master-master也只支持最终一致性。配置master-master只需运行mongod时同时加上--master选项和 --slave选项。如下：
     mongod --dbpath=d:\mongodb\db --port 27017 --master --slave --source localhost:27018
     mongod --dbpath=d:\mongodb\db --port 27018 --master --slave --source localhost:27017
      
    Replica pairs模式
     以这种方式启动后，数据库会自动协商谁是master谁是slave。一旦一个数据库服务器断电，另一个会自动接管，并从那一刻起起为master。万一另一个将来也出错了，那么master状态将会转回给第一个服务器。以这种复制方式启动mongod的命令如下：
     配置选项：
      mongod --pairwith  --arbiter
      --pairwith: remoteserver是pair里的另一个server
      --arbiter:  arbiterserver是一个起仲裁作用的Mongo数据库，用来协商pair中哪一个是master。arbiter运行在第三个机器上，利用“平分决胜制”决定在pair中的两台机器不能联系上对方时让哪一个做master，一般是能同arbiter通话的那台机器做master。如果不加--arbiter选项，出现网络问题时两台机器都作为master。
      注：可使用db.$cmd.findOne({ismaster:1})可以检查当前哪一个database是master。

     另外这种模式下的两台机器只能满足最终一致性。当replica pair中的一台机器完全挂掉时，需要用一台新的来代替。如(n1, n2)中的n2挂掉，这时用n3来代替n2。步骤如下：
      1. 告诉n1用n3来代替n2：db.$cmd.findOne({replacepeer:1});
      2. 重启n1让它同n3对话：mongod --pairwith n3 --arbiter
      3. 启动n3：mongod --pairwith n1 --arbiter 。
     在n3的数据没有同步到n1前n3还不能做master，这个过程长短由数据量的多少决定。
  
   
     了解了复制模式之后，还有一个问题需要介绍一下，不是就是本文中mongodb使用cap collection来存储操作日志，并进而使用日志来复制(同步)结点间的数据，其中由主结点保存的操作的记录叫做oplog(operation log的简称)。

   Oplog存在一个叫local的特殊数据库中，在oplog.$main集合。Oplog中的每一个文档表示一个在主结点上执行的操作。文档主要包括4块内容，如下：
   


Ts:操作的时间戳。时间戳类型是一个用来跟踪操作是何时执行的一种内部类型。它由4字节的时间戳和四字节的增量计数器组成。
Op:执行的操作的类型，大小为1字节。（例如，“i”代表insert,"u":update, "d":delete, "n":none无操作等）
Ns：执行操作的命名空间（集合名）
O：执行操作的文档。对于插入，这是将要插入的文档。
     另外这种日志只保存会“改变数据库状态”的操作。查询操作不会记录在oplog中。


     好了，了解这些知识之后，我们就来开始看一下如何调试master-slave模式的源码，首先要在vs2010中打开mongod项目，并将启动参数中设置如下：
      --master --oplogSize 64   （master IP为10.0.1.103）

     如下图:
  
   

     之后编译该项目，启动该主服务结点，如下：

   
   
     接着我们可以在本地或另外一台机器上启动一个slave结点：


  mongod --dbpath=d:\mongodb\db --slave --source 10.0.1.103:27017 --only test --slavedelay 100

   下面介绍一下master（主服务端）的代码执行流程。首先我们打开instance.cpp文件，找到下面方法：
   


    //instance.cpp
    // Returns false when request includes 'end'
    void assembleResponse( Message &m, DbResponse &dbresponse, const SockAddr &client ) {
    ......
       if ( op == dbQuery ) {
            if ( handlePossibleShardedMessage( m , &dbresponse ) )
                return;
            receivedQuery(c , dbresponse, m );
        }
        //服务端(master) 收到message执行相关查询操作
        else if ( op == dbGetMore ) {
            if ( ! receivedGetMore(dbresponse, m, currentOp) )
                log = true;
        }
    .....
    }
    看过本系列开头那几篇BLOG的朋友，会看出上面方法其实在mongodb的crud操作中都会执行到，更多内容可以参见这篇BLOG，这里不再赘述。

    当slave 从结点发送同步复制请求时，master会执行上面的dbGetMore操作，从主库中的oplog中获取相应日志并返回给slave结点，下面是receivedGetMore()方法的具体实现：
   


     //instance.cpp
     bool receivedGetMore(DbResponse& dbresponse, Message& m, CurOp& curop ) {
        StringBuilder& ss = curop.debug().str;
        bool ok = true;

        //参见：Mongodb源码分析--消息(message)中的 查询更多(document)消息结构相关内容
        //http://www.iyunv.com/daizhj/archive/2011/04/02/2003335.html
        DbMessage d(m);
        //完整的集合名称，形如:"dbname.collectionname"
        const char *ns = d.getns();
        //返回的document数
        int ntoreturn = d.pullInt();
        //在REPLY消息中的Cursor标识符，其必须来自于数据库
        long long cursorid = d.pullInt64();

        ss tailable() ) {//处理tailable情况
                        //Tailable 表示在返回最后一条数据后，不要关闭当前 cursor。
                        //这是因为系统考虑到稍后你可以再次使用该cursor.  
                        /* when a tailable cursor hits "EOF", ok() goes false, and current() is null.  however
                           advance() can still be retries as a reactivation attempt.  when there is new data, it will
                           return true.  that's what we are doing here.
                           */
                        if ( c->advance() )
                            continue;

                        if( n == 0 && (queryOptions & QueryOption_AwaitData) && pass < 1000 ) {
                            throw GetMoreWaitException();
                        }

                        break;
                    }
                    //释放cursor资源关闭它（执行delete操作）
                    p.release();
                    bool ok = ClientCursor::erase(cursorid);
                    assert(ok);
                    cursorid = 0;
                    cc = 0;
                    break;
                }
                // 如果是clone collection时，则不会匹配
                // If match succeeds on index key, then attempt to match full document.                if ( c->matcher() && !c->matcher()->matches(c->currKey(), c->currLoc() ) ) {
                }
                /*
                  TODO
                else if ( _chunkMatcher && ! _chunkMatcher->belongsToMe( c->currKey(), c->currLoc() ) ){
                    cout currLoc()) ) {
                        //out() currLoc();
                        n++;
                        //装填数据到buf中
                        if ( keyFieldsOnly ) {
                            fillQueryResultFromObj(b, 0, keyFieldsOnly->hydrate( c->currKey() ) );
                        }
                        else {
                            BSONObj js = c->current();
                            // show disk loc should be part of the main query, not in an $or clause, so this should be ok
                            fillQueryResultFromObj(b, cc->fields.get(), js, ( cc->pq.get() && cc->pq->showDiskLoc() ? &last : 0));
                        }

                        if ( ( ntoreturn && n >= ntoreturn ) || b.len() > MaxBytesToReturnToClientAtOnce ) {
                            c->advance();
                            cc->incPos( n );
                            break;
                        }
                    }
                }
                //指向下一条记录
                c->advance();

                if ( ! cc->yieldSometimes() ) {
                    cc = 0;
                    break;
                }
            }

            if ( cc ) {
                cc->updateLocation();
                cc->mayUpgradeStorage();
                //用last中的optime 更新_slaveReadTill
                cc->storeOpForSlave( last );
                exhaust = cc->queryOptions() & QueryOption_Exhaust;
            }
        }
        //将buf中的信息绑定到查询结果集
        QueryResult *qr = (QueryResult *) b.buf();
        qr->len = b.len();
        qr->setOperation(opReply);
        qr->_resultFlags() = resultFlags;
        qr->cursorId = cursorid;
        qr->startingFrom = start;
        qr->nReturned = n;
        b.decouple();

        return qr;
    }

     上面代码有些长，但其目的很明确，就是针对指定的cursor进行遍历。这里mongodb会为每个slave保存一个cursor，并且其在遍历完成后将最后一条oplog的时间戳作为当前slave在local.slaves中的更新标识信息(syncedTo)，来标识当前slave的更新情况。（注：首次同步时全部复制会执行copyDatabase，复制master db上的所有document）。该方法运行截图如下：
   
  　　

    另外需要解释的是，master结点貌似并不会使用slave发来的syncedTo来过滤capped collection中的旧oplog(指小于syncedTo时间戳)的数据，而是使用tailable类型的cursor来解决如果持续获取后续新增oplog操作信息。前者的主观臆测让我在源码中兜了一个圈子，因为我一直主观认为mongod会执行类似查询操作来过滤相应旧oplog的时间戳信息，并将结果集返回给slave端。现在看来master只是不断返回后续添加到cap collection中oplog（有可能是out of sync的情况而引发slave地点执行resync操作），而最终的过滤判断操作完全交给了slave端。这一点会在我下一篇文章中有所介绍。　　
　　好了，今天的内容到这里就告一段落了。在接下来的文章中，将会介绍slave端是如何发起同步操作，以及最终如何使用获取到的oplog来构造本机数据的。


    参考链接：

　　

    http://www.mongodb.org/display/DOCS/Replication
    http://www.mongodb.org/display/DOCS/Master+Slave    http://www.snailinaturtleneck.com/blog/2010/10/12/replication-internals/
    http://www.snailinaturtleneck.com/blog/2010/10/14/getting-to-know-your-oplog/
    http://www.snailinaturtleneck.com/blog/2010/08/02/replica-sets-part-2-what-are-replica-sets/

    原文链接:http://www.iyunv.com/daizhj/archive/2011/06/13/mongodb_sourcecode_repl_master_run.html
    作者: daizhj, 代震军   
    微博: http://t.sina.com.cn/daizhj
    Tags: mongodb,c++,Replica,master-slave