第11课: 副本集

什么是副本集？

副本集（Replica Set）是MongoDB的高可用解决方案，通过数据冗余和自动故障转移保证服务的持续可用性。

• 数据冗余：多个节点保存相同数据
• 自动故障转移：主节点故障时自动选举新主节点
• 读写分离：可以从从节点读取数据
• 数据一致性：通过复制保证数据同步

副本集架构

副本集包含三种节点：

1. Primary（主节点）
   - 接收所有写操作
   - 记录操作日志（oplog）
   - 只能有一个主节点

2. Secondary（从节点）
   - 复制主节点的oplog
   - 可以处理读请求（需配置）
   - 可以有多个从节点

3. Arbiter（仲裁节点）
   - 不存储数据
   - 只参与选举投票
   - 用于打破偶数节点的平局

配置副本集

// 1. 启动三个MongoDB实例
mongod --replSet rs0 --port 27017 --dbpath /data/db1
mongod --replSet rs0 --port 27018 --dbpath /data/db2
mongod --replSet rs0 --port 27019 --dbpath /data/db3

// 2. 连接到第一个实例
mongosh --port 27017

// 3. 初始化副本集
rs.initiate({
    _id: "rs0",
    members: [
        { _id: 0, host: "localhost:27017" },
        { _id: 1, host: "localhost:27018" },
        { _id: 2, host: "localhost:27019" }
    ]
})

// 4. 查看副本集状态
rs.status()

副本集管理命令

// 查看副本集配置
rs.conf()

// 查看副本集状态
rs.status()

// 查看当前节点是否为主节点
rs.isMaster()

// 添加节点
rs.add("localhost:27020")

// 添加仲裁节点
rs.addArb("localhost:27021")

// 删除节点
rs.remove("localhost:27020")

// 查看oplog信息
rs.printReplicationInfo()

// 查看从节点同步状态
rs.printSecondaryReplicationInfo()

节点优先级

// 设置节点优先级（0-1000，默认1）
// 优先级越高，越容易成为主节点
// 优先级为0的节点永远不会成为主节点

cfg = rs.conf()
cfg.members[0].priority = 2  // 高优先级
cfg.members[1].priority = 1  // 默认优先级
cfg.members[2].priority = 0  // 永不成为主节点
rs.reconfig(cfg)

隐藏节点

// 隐藏节点不会被客户端发现，用于备份或分析
cfg = rs.conf()
cfg.members[2].priority = 0
cfg.members[2].hidden = true
rs.reconfig(cfg)

延迟节点

// 延迟节点用于数据恢复（防止误删除）
cfg = rs.conf()
cfg.members[2].priority = 0
cfg.members[2].hidden = true
cfg.members[2].secondaryDelaySecs = 3600  // 延迟1小时
rs.reconfig(cfg)

读偏好设置

// primary（默认）：只从主节点读
db.users.find().readPref("primary")

// primaryPreferred：优先主节点，主节点不可用时从从节点读
db.users.find().readPref("primaryPreferred")

// secondary：只从从节点读
db.users.find().readPref("secondary")

// secondaryPreferred：优先从节点，从节点不可用时从主节点读
db.users.find().readPref("secondaryPreferred")

// nearest：从延迟最低的节点读
db.users.find().readPref("nearest")

写关注（Write Concern）

// w: 1（默认）：写入主节点即返回
db.users.insertOne(
    { name: "张三" },
    { writeConcern: { w: 1 } }
)

// w: "majority"：写入大多数节点后返回（推荐）
db.users.insertOne(
    { name: "张三" },
    { writeConcern: { w: "majority" } }
)

// w: 2：写入2个节点后返回
db.users.insertOne(
    { name: "张三" },
    { writeConcern: { w: 2 } }
)

// j: true：写入日志后返回
db.users.insertOne(
    { name: "张三" },
    { writeConcern: { w: 1, j: true } }
)

读关注（Read Concern）

// local（默认）：读取本地最新数据
db.users.find().readConcern("local")

// majority：读取已被大多数节点确认的数据
db.users.find().readConcern("majority")

// linearizable：线性一致性读（最强一致性）
db.users.find().readConcern("linearizable")

故障转移

// 当主节点故障时：
// 1. 从节点检测到主节点心跳超时（默认10秒）
// 2. 发起选举
// 3. 获得多数投票的节点成为新主节点
// 4. 整个过程通常在10-30秒内完成

// 手动触发选举（主节点降级）
rs.stepDown(60)  // 60秒内不参与选举

// 强制重新配置（紧急情况）
cfg = rs.conf()
cfg.version++
rs.reconfig(cfg, { force: true })

Oplog

// Oplog是一个固定大小的集合，记录所有写操作
// 从节点通过复制oplog来同步数据

// 查看oplog大小
use local
db.oplog.rs.stats()

// 查看oplog中的操作
db.oplog.rs.find().sort({ $natural: -1 }).limit(10)

// 调整oplog大小（需要重启）
mongod --replSet rs0 --oplogSize 2048  // 2GB

监控副本集

// 查看副本集健康状态
rs.status().members.forEach(m => {
    print(`${m.name}: ${m.stateStr}, health: ${m.health}`)
})

// 查看复制延迟
rs.printSecondaryReplicationInfo()

// 查看oplog窗口
rs.printReplicationInfo()

// 监控关键指标：
// - 复制延迟（replication lag）
// - oplog窗口大小
// - 节点健康状态
// - 选举次数

实战示例

// 生产环境推荐配置：3节点副本集
// 节点1：主节点（高配置服务器）
// 节点2：从节点（高配置服务器）
// 节点3：从节点（普通配置服务器）

// 初始化配置
rs.initiate({
    _id: "prod-rs",
    members: [
        {
            _id: 0,
            host: "mongo1.example.com:27017",
            priority: 2
        },
        {
            _id: 1,
            host: "mongo2.example.com:27017",
            priority: 1
        },
        {
            _id: 2,
            host: "mongo3.example.com:27017",
            priority: 1
        }
    ]
})

// 应用连接字符串
mongodb://mongo1.example.com:27017,mongo2.example.com:27017,mongo3.example.com:27017/?replicaSet=prod-rs&readPreference=secondaryPreferred&w=majority