MongoDB副本集
一、副本集基础
1.1 副本集概念
MongoDB副本集是由一个主节点和多个副本节点组成。主节点将数据的改变推送到副本节点上，在一定的延迟之后，每个MongoDB实例维护相同的数据。通过维护冗余的数据副本，能够实现数据的备份，读写分离和自动故障转移。
1.2 副本集使用场景
- 数据冗余，用做故障恢复使用，当发生硬件故障或者其它原因造成的宕机时，可以使用副本进行恢复。
- 读写分离，读请求会分流到所有副本上，减轻主节点的读压力。
1.3 副本集的故障转移
MongoDB副本集是主从复制的高级形式。主从复制仅仅实现了数据备份和读写分离，但是主节点一旦宕机，需要手动启动从节点进行故障转移；MongoDB副本集在主从复制基础上实现了故障转移的功能，也就是当主节点宕机时，某一台副本节点会自动提升为新主节点。
1.4 副本集相关命令
rs.initiate() #使用默认配置初始化副本集
rs.initiate(cfg) #使用配置文件cfg初始化副本集
rs.reconfig(cfg) #修改副本集配置信息
rs.status() #查看副本集状态
rs.conf() #查看副本集配置
rs.add(hostportstr) #添加新的节点
rs.addArb(hostportstr) #添加仲裁节点
rs.remove(hostportstr) #删除节点
rs.slaveOk() #允许副本节点只读，默认副本节点不允许读写
rs.isMaster() #查看哪个节点为主节点
rs.printReplicationInfo() #查看oplog大小以及oplog可用时间，可以判断系统繁忙程度
rs.printSlaveReplicationInfo() #查看复制集成员以及延迟
rs.stepDown([stepdownSecs, catchUpSecs]) #手动主从切换
rs.freeze(secs) #冻结当前节点在指定的时间内（秒）不能选举为主
rs.syncFrom(hostportstr) #管理员临时覆盖当前成员的默认同步目标。以[hostname]：[port]的形式指定要复制的成员的名称。
二、副本集成员
复制集成员最多50个。参与Primary选举投票的成员最多7个，其他成员的votes属性必须设置为0，即不参与投票。一般而言，副本集节点有3中类型，主节点（Primary）、副本节点（Secondary）、仲裁节点（Arbiter）。
2.1 主节点
和其他数据库上的主节点一样，可以提供读写服务。
2.2 副本节点
副本节点也基本上和其他类型数据库的从节点一样，可以实现备份和读写分离的作用。MongoDB的副本节点可以设置以下几个属性：
2.2.1 优先级为0的节点
优先级为0的节点的特点：
- 不会升级为主节点；但是可以投票。
- 此节点正常参与主节点产生的oplog的读取，进行数据备份和命令执行。
- 此节点可正常参与客户端对于数据的读取，进行担当负载均衡的工作。
Priority=0在mongoDB中的解释就是一个Standby，可投票不可参选，并且承担负载。对于Priority为0节点的情况，通常作为一个standby，或由于硬件配置较差，设置为0以使用不可能成为主。
2.2.2 隐藏节点
这个隐藏节点是对客户端的隐藏，客户端如果要读取副本节点的数据，永远无法读取隐藏节点的数据，因为设置了隐藏的这个节点对于客户端是透明的，不可见。但是，对于副本节点和主节点来说都是可见的，所以，隐藏节点依然可以投票，依然要按照oplog进行命令的复制，只是不参与负载了。
Hidden属性的前提是必须是一个Priority=0的节点，所以会具备一些优先级=0的特点。
- 隐藏节点不能被选为主（Priority为0），并且对Driver不可见。
- 在隐藏节点上，可做一些数据备份、离线计算的任务，不会影响复制集的服务。
- 隐藏节点成员建议总是将其优先级设置为0。
- 由于对Driver不可见，因此不会作为读节点，隐藏节点可以作为投票节点。
- 在分片集群当中，mongos不会同隐藏节点交互。
2.2.3 延迟节点
延迟节点代表此节点的数据与Primary的数据有一定的延迟，通过设定一个延迟的属性来确定。
- 此节点必须是一个Priority=0且为Hidden的节点。
- 此节点虽然又迟延又Hidden，但是还是可以投票。延迟单位设置为秒。
2.2.4 非投票节点
MongoDB一个副本集最多有7个投票节点，如果还有其它的节点，需要设置为非投票节点。非投票节点拥有数据副本，但是不参与投票。另外，非投票节点，其priority必须设置为0。
2.3 仲裁节点
没有数据副本，不会成为主节点，主要用来选举投票。当副本集的节点数据为偶数时，需要添加一个仲裁节点。仲裁节点因为没有数据，只参与投票，所以仲裁节点需要的资源很小，但是不建议将仲裁节点部署在副本集的其他节点上。
三、副本集选举机制
复制集通过rs.initiate()命令进行初始化。初始化后各个成员间开始发送心跳消息，并发起主节点选举操作，获得大多数成员投票支持的节点，会成为主节点，其余节点成为副本节点。
当复制集内投票成员数量为N，则大多数为(N/2)+1，当复制集内存活成员数量不足大多数时，整个复制集将无法选举出主节点，复制集将无法提供写服务，处于只读状态。Mongodb副本集的选举基于Bully算法，这是一种协调者竞选算法；主节点的选举受节点间心跳、优先级、最新的oplog时间等多种因素影响。
触发选举条件:
- 初始化一个副本集时;
- 从库不能连接到主库(默认超过10s，可通过heartbeatTimeoutSecs参数控制)，由从库发起选举;
- 主库放弃primary角色，比如执行rs.stepDown(30)命令;
四、副本集同步机制
副本集中数据同步过程：主节点写入数据，副本节点通过读取主节点的oplog得到复制信息，开始复制数据并且将复制信息写入到自己的oplog。如果某个操作失败，则备份节点停止从当前数据源复制数据。如果某个备份节点由于某些原因挂掉了，当重新启动后，就会自动从oplog的最后一个操作开始同步，同步完成后，将信息写入自己的oplog，由于复制操作是先复制数据，复制完成后再写入oplog，有可能相同的操作会同步两份，不过MongoDB在设计之初就考虑到这个问题，将oplog的同一个操作执行多次，与执行一次的效果是一样的。简单的说就是：当主节点完成数据操作后，副本节点会做出一系列的动作保证数据的同步：
- 检查自己local库的oplog.rs集合找出最近的时间戳。
- 检查主节点local库oplog.rs集合，找出大于此时间戳的记录。
- 将找到的记录插入到自己的oplog.rs集合中，并执行这些操作。
副本集的同步和主从同步一样，都是异步同步的过程，不同的是副本集有个自动故障转移的功能。其原理是：slave端从primary端获取日志，然后在自己身上完全顺序的执行日志所记录的各种操作（该日志是不记录查询操作的），这个日志就是local数据 库中的oplog.rs表，默认在64位机器上这个表是比较大的，占磁盘大小的5%，oplog.rs的大小可以在启动参数中设定：--oplogSize 1000,单位是M。
PS：在副本集的环境中，要是所有的Secondary节点都宕机了，只剩下Primary节点。最后Primary节点会变成Secondary节点，不能提供服务。
五、总结
本文详细介绍了MongoDB副本集的基本概念、特性，副本集成员以及选举、同步特性。