原文：https://0x9.me/RhplZ

简介

最近一个 MongoDB 集群环境中的某节点异常下电了，导致业务出现了中断，随即又恢复了正常。

通过ELK 告警也监测到了业务报错日志。

运维部对于节点下电的原因进行了排查，发现仅仅是资源分配上的一个失误导致。 在解决了问题之后，大家也对这次中断的也提出了一些问题：

"当前的 MongoDB集群 采用了分片副本集的架构，其中主节点发生故障会产生多大的影响？"

"MongoDB 副本集不是能自动倒换吗，这个是不是秒级的？"

带着这些问题，下面针对副本集的自动Failover机制做一些分析。

日志分析

首先可以确认的是，这次掉电的是一个副本集上的主节点，在掉电的时候，主备关系发生了切换。

从另外的两个备节点找到了对应的日志：

备节点1的日志

2019-05-06T16:51:11.766+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Starting an election, since we've seen no PRIMARY in the past 10000ms
2019-05-06T16:51:11.766+0800 I REPL [ReplicationExecutor] conducting a dry run election to see if we could be elected
2019-05-06T16:51:11.766+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:11.767+0800 I REPL [ReplicationExecutor] VoteRequester(term 3 dry run) received a yes vote from 172.30.129.7:30071; response message: { term: 3, voteGranted: true, reason: "", ok: 1.0 }
2019-05-06T16:51:11.767+0800 I REPL [ReplicationExecutor] dry election run succeeded, running for election
2019-05-06T16:51:11.768+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] VoteRequester(term 4) received a yes vote from 172.30.129.7:30071; response message: { term: 4, voteGranted: true, reason: "", ok: 1.0 }
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] election succeeded, assuming primary role in term 4
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] transition to PRIMARY
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Entering primary catch-up mode.
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Ending connection to host 172.30.129.78:30071 due to bad connection status; 2 connections to that host remain open
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:13.350+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Error in heartbeat request to 172.30.129.78:30071; ExceededTimeLimit: Couldn't get a connection within the time limit

备节点2的日志

2019-05-06T16:51:12.816+0800 I ASIO [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Ending connection to host 172.30.129.78:30071 due to bad connection status; 0 connections to that host remain open
2019-05-06T16:51:12.816+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Error in heartbeat request to 172.30.129.78:30071; ExceededTimeLimit: Operation timed out, request was RemoteCommand 72553 -- target:172.30.129.78:30071 db:admin expDate:2019-05-06T16:51:12.816+0800 cmd:{ replSetHeartbeat: "shard0", configVersion: 96911, from: "172.30.129.7:30071", fromId: 1, term: 3 }
2019-05-06T16:51:12.821+0800 I REPL [ReplicationExecutor] Member 172.30.129.160:30071 is now in state PRIMARY

可以看到，备节点1在 16:51:11 时主动发起了选举，并成为了新的主节点，随即备节点2在 16:51:12 获知了最新的主节点信息，因此可以确认此时主备切换已经完成。

同时在日志中出现的，还有对于原主节点(172.30.129.78:30071)大量心跳失败的信息。

那么，备节点具体是怎么感知到主节点已经 Down 掉的，主备节点之间的心跳是如何运作的，这对数据的同步复制又有什么影响？

下面，我们挖掘一下 ** 副本集的 自动故障转移(Failover)** 机制

副本集 如何实现 Failover

如下是一个PSS(一主两备)架构的副本集，主节点除了与两个备节点执行数据复制之外，三个节点之间还会通过心跳感知彼此的存活。

一旦主节点发生故障以后，备节点将在某个周期内检测到主节点处于不可达的状态，此后将由其中一个备节点事先发起选举并最终成为新的主节点。 这个检测周期 由electionTimeoutMillis 参数确定，默认是10s。

接下来，我们通过一些源码看看该机制是如何实现的：

<<来自 MongoDB 3.4源码>>

db/repl/replication_coordinator_impl_heartbeat.cpp

相关方法

• ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock 启动各成员的心跳
• ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget 调度任务-(计划)向成员发起心跳
• ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 执行向成员发起心跳
• ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse 处理心跳响应
• ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock 调度保活状态检查定时器
• ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock 取消并重新调度选举超时定时器
• ReplicationCoordinatorImpl::_startElectSelfIfEligibleV1 发起主动选举

db/repl/topology_coordinator_impl.cpp

相关方法

• TopologyCoordinatorImpl::prepareHeartbeatRequestV1 构造心跳请求数据
• TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse 处理心跳响应并构造下一步Action实例

下面这个图，描述了各个方法之间的调用关系

图-主要关系

心跳的实现

首先，在副本集组建完成之后，节点会通过ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock方法开始向其他成员发送心跳：

void ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock() {
 const Date_t now = _replExecutor.now();
 _seedList.clear();
 //获取副本集成员
 for (int i = 0; i < _rsConfig.getNumMembers(); ++i) {
 if (i == _selfIndex) {
 continue;
 }
 //向其他成员发送心跳
 _scheduleHeartbeatToTarget(_rsConfig.getMemberAt(i).getHostAndPort(), i, now);
 }
 //仅仅是刷新本地的心跳状态数据
 _topCoord->restartHeartbeats();
 //使用V1的选举协议(3.2之后)
 if (isV1ElectionProtocol()) {
 for (auto&& slaveInfo : _slaveInfo) {
 slaveInfo.lastUpdate = _replExecutor.now();
 slaveInfo.down = false;
 }
 //调度保活状态检查定时器
 _scheduleNextLivenessUpdate_inlock();
 }
}

在获得当前副本集的节点信息后，调用_scheduleHeartbeatToTarget方法对其他成员发送心跳，

这里_scheduleHeartbeatToTarget 的实现比较简单，其真正发起心跳是由 _doMemberHeartbeat 实现的，如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget(const HostAndPort& target,
 int targetIndex,
 Date_t when) {
 //执行调度，在某个时间点调用_doMemberHeartbeat
 _trackHeartbeatHandle(
 _replExecutor.scheduleWorkAt(when,
 stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat,
 this,
 stdx::placeholders::_1,
 target,
 targetIndex)));
}

ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 方法的实现如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat(ReplicationExecutor::CallbackArgs cbData,
 const HostAndPort& target,
 int targetIndex) {
 LockGuard topoLock(_topoMutex);
 //取消callback 跟踪
 _untrackHeartbeatHandle(cbData.myHandle);
 if (cbData.status == ErrorCodes::CallbackCanceled) {
 return;
 }
 const Date_t now = _replExecutor.now();
 BSONObj heartbeatObj;
 Milliseconds timeout(0);
 //3.2 以后的版本
 if (isV1ElectionProtocol()) {
 const std::pair<ReplSetHeartbeatArgsV1, Milliseconds> hbRequest =
 _topCoord->prepareHeartbeatRequestV1(now, _settings.ourSetName(), target);
 //构造请求，设置一个timeout
 heartbeatObj = hbRequest.first.toBSON();
 timeout = hbRequest.second;
 } else {
 ...
 }
 //构造远程命令
 const RemoteCommandRequest request(
 target, "admin", heartbeatObj, BSON(rpc::kReplSetMetadataFieldName << 1), nullptr, timeout);
 //设置远程命令回调，指向_handleHeartbeatResponse方法
 const ReplicationExecutor::RemoteCommandCallbackFn callback =
 stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse,
 this,
 stdx::placeholders::_1,
 targetIndex);
 _trackHeartbeatHandle(_replExecutor.scheduleRemoteCommand(request, callback));
}

上面的代码中存在的一些细节：

• 心跳的超时时间，在_topCoord.prepareHeartbeatRequestV1方法中就已经设定好了
• 具体的算法就是:

**hbTimeout=_rsConfig.getHeartbeatTimeoutPeriodMillis() - alreadyElapsed**

其中heartbeatTimeoutPeriodMillis是可配置的参数，默认是10s, 那么alreadyElapsed是指此前连续心跳失败(最多2次)累计的消耗时间，在心跳成功响应或者超过10s后alreadyElapsed会置为0。因此可以判断，随着心跳失败次数的增加，超时时间会越来越短(心跳更加密集)

• 心跳执行的回调，指向自身的_handleHeartbeatResponse方法，该函数实现了心跳响应成功、失败(或是超时)之后的流程处理。

ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse方法的代码片段：

void ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse(
 const ReplicationExecutor::RemoteCommandCallbackArgs& cbData, int targetIndex) {
 LockGuard topoLock(_topoMutex);
 // remove handle from queued heartbeats
 _untrackHeartbeatHandle(cbData.myHandle);
 ...
 //响应成功后
 if (responseStatus.isOK()) {
 networkTime = cbData.response.elapsedMillis.value_or(Milliseconds{0});
 const auto& hbResponse = hbStatusResponse.getValue();
 // 只要primary 心跳响应成功，就会重新调度 electionTimeout定时器
 if (hbResponse.hasState() && hbResponse.getState().primary() &&
 hbResponse.getTerm() == _topCoord->getTerm()) {
 //取消并重新调度 electionTimeout定时器
 cancelAndRescheduleElectionTimeout();
 }
 }
 ...
 //调用topCoord的processHeartbeatResponse方法处理心跳响应状态，并返回下一步执行的Action
 HeartbeatResponseAction action = _topCoord->processHeartbeatResponse(
 now, networkTime, target, hbStatusResponse, lastApplied);
 ...
 //调度下一次心跳，时间间隔采用action提供的信息
 _scheduleHeartbeatToTarget(
 target, targetIndex, std::max(now, action.getNextHeartbeatStartDate()));
 //根据Action 执行处理
 _handleHeartbeatResponseAction(action, hbStatusResponse, false);
}

这里省略了许多细节，但仍然可以看到，在响应心跳时会包含这些事情的处理：

• 对于主节点的成功响应，会重新调度 electionTimeout定时器(取消之前的调度并重新发起)
• 通过_topCoord对象的processHeartbeatResponse方法解析处理心跳响应，并返回下一步的Action指示
• 根据Action 指示中的下一次心跳时间设置下一次心跳定时任务
• 处理Action指示的动作

那么，心跳响应之后会等待多久继续下一次心跳呢？ 在 TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse方法中，实现逻辑为：

如果心跳响应成功，会等待heartbeatInterval，该值是一个可配参数，默认为2s；

如果心跳响应失败，则会直接发送心跳(不等待)。

代码如下：

HeartbeatResponseAction TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse(...) {

 ...
 const Milliseconds alreadyElapsed = now - hbStats.getLastHeartbeatStartDate();
 Date_t nextHeartbeatStartDate;
 // 计算下一次 心跳启动时间
 // numFailuresSinceLastStart 对应连续失败的次数(2次以内)
 if (hbStats.getNumFailuresSinceLastStart() <= kMaxHeartbeatRetries &&
 alreadyElapsed < _rsConfig.getHeartbeatTimeoutPeriod()) {
 // 心跳失败，不等待，直接重试心跳
 nextHeartbeatStartDate = now;
 } else {
 // 心跳成功，等待一定间隔后再次发送(一般是2s)
 nextHeartbeatStartDate = now + heartbeatInterval;
 }
 ...
 // 决定下一步的动作，可能发生 tack over(本备节点优先级更高，且数据与主节点一样新时)
 HeartbeatResponseAction nextAction;
 if (_rsConfig.getProtocolVersion() == 0) {
 ...
 } else {
 nextAction = _updatePrimaryFromHBDataV1(memberIndex, originalState, now, myLastOpApplied);
 }
 nextAction.setNextHeartbeatStartDate(nextHeartbeatStartDate);
 return nextAction;
}

electionTimeout 定时器

至此，我们已经知道了心跳实现的一些细节，默认情况下副本集节点会每2s向其他节点发出心跳(默认的超时时间是10s)。

如果心跳成功，将会持续以2s的频率继续发送心跳，在心跳失败的情况下，则会立即重试心跳(以更短的超时时间)，一直到心跳恢复成功或者超过10s的周期。

那么，心跳失败是如何触发主备切换的呢，electionTimeout 又是如何发挥作用？

在前面的过程中，与electionTimeout参数相关两个方法如下，它们也分别对应了单独的定时器：

• ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock 发起保活状态检查定时器
• ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock 重新发起选举超时定时器

第一个是 _scheduleNextLivenessUpdate_inlock这个函数，它的作用在于保活状态检测，如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock() {
 //仅仅支持3.2+
 if (!isV1ElectionProtocol()) {
 return;
 }

 // earliestDate 取所有节点中更新时间最早的(以尽可能早的发现问题)
 // electionTimeoutPeriod 默认为 10s
 auto nextTimeout = earliestDate + _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod();

 // 设置超时回调函数为 _handleLivenessTimeout
 auto cbh = _scheduleWorkAt(nextTimeout,
 stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_handleLivenessTimeout,
 this,
 stdx::placeholders::_1));
}

因此，在大约10s后，如果没有什么意外，_handleLivenessTimeout将会被触发，如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_handleLivenessTimeout(...) {
 ...
 for (auto&& slaveInfo : _slaveInfo) {
 ...
 //lastUpdate 不够新(小于electionTimeout)
 if (now - slaveInfo.lastUpdate >= _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod()) {
 ...
 //在保活周期后仍然未更新节点，置为down状态
 slaveInfo.down = true;
 //如果当前节点是主，且检测到某个备节点为down的状态，进入memberdown流程
 if (_memberState.primary()) {

 //调用_topCoord的setMemberAsDown方法，记录某个备节点不可达，并获得下一步的指示
 //当大多数节点不可见时，这里会获得让自身降备的指示
 HeartbeatResponseAction action =
 _topCoord->setMemberAsDown(now, memberIndex, _getMyLastDurableOpTime_inlock());
 //执行指示
 _handleHeartbeatResponseAction(action,
 makeStatusWith<ReplSetHeartbeatResponse>(),
 true);
 }
 }
 }
 //继续调度下一个周期
 _scheduleNextLivenessUpdate_inlock();
}

可以看到，这个定时器主要是用于实现主节点对其他节点的保活探测逻辑：

当主节点发现大多数节点不可达时(不满足大多数原则)，将会让自己执行降备

因此，在一个三节点的副本集中，其中两个备节点挂掉后，主节点会自动降备。 这样的设计主要是为了避免产生意外的数据不一致情况产生。

图- 主自动降备

第二个是_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock函数，这里则是实现自动Failover的关键了，

它的逻辑中包含了一个选举定时器，代码如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock() {
 //如果上一个定时器已经启用了，则直接取消
 if (_handleElectionTimeoutCbh.isValid()) {
 LOG(4) << "Canceling election timeout callback at " << _handleElectionTimeoutWhen;
 _replExecutor.cancel(_handleElectionTimeoutCbh);
 _handleElectionTimeoutCbh = CallbackHandle();
 _handleElectionTimeoutWhen = Date_t();
 }
 //仅支持3.2后的V1版本
 if (!isV1ElectionProtocol()) {
 return;
 }
 //仅备节点可执行
 if (!_memberState.secondary()) {
 return;
 }
 ...
 //是否可以选举
 if (!_rsConfig.getMemberAt(_selfIndex).isElectable()) {
 return;
 }
 //检测周期，由 electionTimeout + randomOffset
 //randomOffset是随机偏移量，默认为 0~0.15*ElectionTimeoutPeriod = 0~1.5s
 Milliseconds randomOffset = _getRandomizedElectionOffset();
 auto now = _replExecutor.now();
 auto when = now + _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod() + randomOffset;

 LOG(4) << "Scheduling election timeout callback at " << when;
 _handleElectionTimeoutWhen = when;
 //触发调度，时间为 now + ElectionTimeoutPeriod + randomOffset
 _handleElectionTimeoutCbh =
 _scheduleWorkAt(when,
 stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_startElectSelfIfEligibleV1,
 this,
 StartElectionV1Reason::kElectionTimeout));
}

上面代码展示了这个选举定时器的逻辑，在每一个检测周期中，定时器都会尝试执行超时回调，

而回调函数指向的是_startElectSelfIfEligibleV1，这里面就实现了主动发起选举的功能，

如果心跳响应成功，通过cancelAndRescheduleElectionTimeout调用将直接取消当次的超时回调(即不会发起选举)

如果心跳响应迟迟不能成功，那么定时器将被触发，进而导致备节点发起选举并成为新的主节点！

同时，这个回调方法(产生选举)被触发必须要满足以下条件：

1. 当前是备节点
2. 当前节点具备选举权限
3. 在检测周期内仍然没有与主节点心跳成功

这其中的检测周期略大于electionTimeout(10s)，加入一个随机偏移量后大约是10-11.5s内，猜测这样的设计是为了错开多个备节点主动选举的时间，提升成功率。

最后，将整个自动选举切换的逻辑梳理后，如下图所示：

图-超时自动选举

业务影响评估

副本集发生主备切换的情况下，不会影响现有的读操作，只会影响写操作。 如果使用3.6及以上版本的驱动，可以通过开启retryWrite来降低影响。

但是如果主节点是属于强制掉电，那么整个 Failover 过程将会变长，很可能需要在Election定时器超时后才被副本集感知并恢复，这个时间窗口会在12s以内。

此外还需要考虑客户端或mongos对于副本集角色的监视和感知行为。但总之在问题恢复之前，对于原主节点的任何读写都会发生超时。

因此，对于极为重要的业务，建议最好在业务层面做一些防护策略，比如设计重试机制。