MongoDB复制集成员及状态转换

复制集（Replica Set）是MongoDB核心组件，相比早期版本采用的主从（Master-Slave）架构，复制集具有很多天然的优势，包括自动故障恢复、多机房部署、读写行为控制等。本文介绍复制集中最基础的部分，就是复制集成员（Replica Set Member）。大体分为成员的角色及转换、成员状态及转换两部分。

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先来说说成员角色，可分为Primary、Secondary和Arbiter三类。其中前两种是常规角色，每个复制集在正常状态下都会有这两种角色，Arbiter是一种特殊角色，其不包含用户数据，仅在选举时起作用。在这之中，Secondary又可以细分出很多熟悉，详见下面描述。

MongoDB在分布式架构上与Raft相类似，其Leader被称为Primary，Follower称为Secondary，但MongoDB中没有定义candidate角色。Primary即复制集的主节点，是唯一有权限接受客户端写请求的节点，会将所有的插入和更新操作记录到oplog中，Primary也是默认所有读请求的目标节点。Secondary复制Primary（或其他Secondary）的oplog记录并本地回放，来保持与Primary数据一致，可设置为允许客户端读，但默认情况下Secondary不允许读，需要设置slaveok参数。

Arbiter与上述两种角色不同，其不包含用户数据副本，复制集中添加Arbiter的目的仅仅是为了选主操作。通常在拥有偶数个节点的复制集中添加（且仅能添加）一个Arbiter，这样可以使一次选举中达到大多数（majority）而避免选举分裂（split vote）。如下所示：

当Primary因为某些原因挂掉或降级时，Secondary可通过选举成为新的Primary，原Primary恢复并重新加入复制集后，变为Secondary。Arbiter由于不包含用户数据，所以不可能成为Primary。这是他们间的相互转换关系。Primary、Secondary和Arbiter应独立部署在不同的网络节点上，对于云环境下，也不能位于相同的宿主机上，确保相互间数据安全性和选举独立性。

一个复制集中仅有一个Primary，在某些特殊场景下，可能没有Primary。Arbiter在集群中不是必须的。所以，集群中最普通的角色是Secondary，一般不少于2个。不同的Secondary可以有不同的属性，处于不同的状态中。Secondary属性有如下几类：

与选举相关的属性：

1、 是否能被选为Primary，该属性由priority控制，priority越高，就越有机会成为Primary，通常情况下，Primary总是复制集中priority最高的成员，priority为0的Secondary不能被选为Primary，该特性一般用于跨机房部署时，避免failover后新Primary切到另一个机房；

2、 是否有选举权，MongoDB复制集可以有多大50个成员，但仅允许7个成员有选举权，该属性由votes控制，votes为0的成员没有选举权，但可以否决选举，也可以成为Primary（可以理解为无法投赞成票，都可以投反对票和发起选举，因为被选举权由priority控制）。MongoDB 3.0版本开始，不允许设置成员的votes大于1。

与客户端相关的属性：

1、客户端是否可见，该参数由hidden控制，hidden为true表示不可见，客户端无法从该节点读取数据，mongos不会跟其交互；由于对客户端不可见，则肯定不能被选举为Primary，所以其priority属性必须为0；该节点一般用于进行备份等用途。

与数据延迟相关的属性：

1、slaveDelay用于控制该Secondary节点跟Primary节点的复制延迟关系，例如slaveDelay为3600，表示其数据相比Primary落后1小时，延迟判断是通过oplog中的信息来确定。该属性一般作为在线的历史备份，用来回滚人为操作导致的错误，包括误删除数据库或集合等；该属性潜在地需要priority属性为0，hidden属性为true；

可以看出，相比MySQL的Replication，MongoDB的Replica Set成员的类型和属性更为丰富，当然，主要原因是MySQL目前还是Master-Slave主从复制，所以与选举相关的属性或角色就没有存在的必要。但，MySQL也有类似的slaveDelay功能。另外，尚处于实验室状态MySQL Group Replication正式发布将会惊动数据库界。

聊完类型和属性，下面再来看看成员状态，不多不少，MongoDB一共有10种状态，官方将其分为3大类，核心状态（Core States）为三种成员类型对应的属性（PRIMARY/SECONDARY/ARBITER），还有7种属性，被分为其他状态（Other States）和错误状态（Error States）两类。

按照时间序，其他状态分别为STARTUP、STARTUP2和RECOVERING。每个复制集成员在mongod启动后，都先进入STARTUP状态，然后加载成员的复制集配置，之后进入到STARTUP2状态。如果该成员需要进行初始同步（initial sync），那么它将长期处于该状态，知道同步完所有的数据和索引。随后进入到RECOVERING状态，处于该状态的成员不能接受客户端的读请求，也不能被选举为Primary，但可以进行投票选举。

错误状态如下所示：若成员已加入了复制集，但还未进行状态信息同步的，会被其他复制集成员标记为UNKNOWN;若成员不再能够通过心跳来进行状态同步，即失去联系，则被其他成员标记为DOWN；REMOVED表示该成员已经被移出复制集；成员处于rollback过程时，状态为ROLLBACK，该状态在旧的primary重新加入复制集时可能出现，用于回滚其上还未同步到其他Secondary的操作；FATAL状态表示成员遇到了无法恢复的错误，必须进行人工处理。

选举行为除了受vote和priority两个属性影响外，成员的状态也会影响选举，仅有PRIMARY, SECONDARY, RECOVERING, ARBITER和ROLLBACK五种状态的成员允许进行投票操作。