《MySQL 数据实时同步实践》
作者：刘心光
原文：https://www.infoq.cn/article/g7R4bMk3NadpGygyyild?utm_source=tuicool&utm_medium=referral
前言：
MySQL 由于自身简单、高效、可靠的特点，成为小米内部使用最广泛的数据库，但是当数据量达到千万 / 亿级别的时候，MySQL 的相关操作会变的非常迟缓；如果这时还有实时 BI 展示的需求，对于 mysql 来说是一种灾难。
为了解决 sql 查询慢，查不了的业务痛点，我们探索出一套完整的实时同步，即席查询的解决方案，本文主要从实时同步的角度介绍相关工作。
早期业务借助 Sqoop 将 Mysql 中的数据同步到 Hive 来进行数据分析，使用过程中也带来了一些问题：
- 虽然 Sqoop 支持增量同步但还属于粗粒度的离线同步，无法满足实时性的需求
- 每次同步 Sqoop 以 sql 的方式向 Mysql 发出数据请求也在一定程度上对 Mysql 带来一定的压力
- 同时 Hive 对数据更新的支持也相对较弱
为了更有效地连接前端业务数据系统（MySQL）和后端统计分析系统（查询分析引擎），我们需要一套实时同步 MySQL 数据的解决方案。
小米内部实践
如何能够做到数据的实时同步呢？我们想到了 MySQL 主从复制时使用的 binlog 日志，它记录了所有的 DDL 和 DML 语句（除了数据查询语句 select、show 等），以事件形式记录，还包含语句所执行的消耗时间。
下面来看一下 MySQL 主从复制的原理，主要有以下几个步骤：
- master（主库）在每次准备提交事务完成数据更新前，将改变记录到二进制日志 (binary log) 中
- slave（从库）发起连接，连接到 master，请求获取指定位置的 binlog 文件
- master 创建 dump 线程，推送 binlog 的 slave
- slave 启动一个 I/O 线程来读取主库上 binary log 中的事件，并记录到 slave 自己的中继日志 (relay log) 中
- slave 还会起动一个 SQL 线程，该线程从 relay log 中读取事件并在备库执行，完成数据同步
- slave 记录自己的 binlog
binlog 记录了 Mysql 数据的实时变化，是数据同步的基础，服务需要做的就是遵守 Mysql 的协议，将自己伪装成 Mysql 的 slave 来监听业务从库，完成数据实时同步。
结合小米内部系统特点，构建了 Mysql 数据同步服务–-LCSBinlog，作为一种独立的数据接入方式整合在 Talos Platform 中，Talos Platform 作为大数据集成的基础解决方案，以自研消息队列 Talos 为数据总线，连接各种系统为主要目标，提供丰富的数据 Source 输入和数据 Sink 输出，并且 Talos 天然支持流式计算，因此业务可以充分利用 Talos Platform 互联互通的特性，并结合自身的业务需求实现更加高阶的业务场景。
上图是 Talos Platform 中的整体流程架构，其中标红部分是目前 LCSBinlog 在小米内部使用最广泛的一条链路：Mysql —> Talos —> Kudu —> BI，数据同步到 kudu 后借助 Sparksql 查询引擎为上层 BI 系统提供即席查询服务，Kudu 和 Sparksql 的整合细节可以参见往期内容：告别”纷纷扰扰”—小米 OLAP 服务架构演进
LCSBinlog 服务的主体架构
服务一共有两种角色
- Master ：主要负责作业的调度，
- Worker： 主要完成具体的数据同步任务
在 Worker 上运行两种作业：
- BinlogSyncJob：每一个 mysql 库都会对应这样一个 Job，将 binlog 日志完整地写入到服务创建的 Talos topic 中
- MysqlSyncJob：同步历史数据，消费 binlog 数据，过滤特定库表数据实时同步至用户配置的 topic 中
服务整体依赖于 Zookeeper 来同步服务状态，记录作业调度信息和标记作业运行状态；在 kudu 表中记录作业同步进度
控制流程如下：
- Worker 节点通过在 Zookeeper 上注册告知自己可以被调度
- 通过在 Zookeeper 上抢占 EPHEMERAL 临时节点实现 Master 的 HA
- 用户在融合云（Web）上注册 BinlogSource 同步任务
- Master 周期性从配置服务读取 Binlog 同步作业配置
- Master 更新 Zookeeper 中的调度信息
- Worker 节点 根据 Zookeeper 上的调度信息启动新分配任务，停止配置失效任务；作业启动后完成数据实时同步并周期性将同步进度记录在 kudu 中
- 服务上报监控信息到 Falcon 平台，作业异常退出发送报警邮件
如何保障数据正确性
顺序性
用户配置的每一个 BinlogSource 都会绑定一个 Talos 的 topic，在进行消费的时候需要保证同一条 mysql 记录操作的顺序性，消息队列 Talos 是无法保证全局消息有序的，只能保证 partition 内部有序。
对于配置分库分表或者多库同步任务的 BinlogSource，服务会根据库表信息进行 hash，将数据写入相应的 partiton，保证同一张表的数据在一个 partition 中，使得下游消费数据的顺序性；
对于单表同步的作业目前使用一个 partition 保证其数据有序。
一致性
如何保证在作业异常退出后，作业重新启动能够完整地将 mysql 中的数据同步到下游系统，主要依赖于以下三点
- 服务会记录作业同步的 offset，重启后从上次 commit 的 offset 继续消费
- Binlog 数据的顺序性保证了即便数据被重复消费（未 commit 的数据），也能对同一条记录的操作以相同的顺序执行
- 下游存储系统 kudu，Es ，Redis 基于主键的操作能够保证 binlog 重复回放后数据的最终一致性
应用场景
有了这份数据我们可以做些什么事情呢，本节例举了几种常见的应用场景
实时更新缓存
业务查询类服务往往会在 mysql 之上架设一个缓存，减少对底层数据库的访问；当 mysql 库数据变化时，如果缓存还没有过期那么就会拿到过期的数据，业务期望能够实时更新缓存；
利用 binlog 服务，根据策略实时将数据同步到 redis 中，这样就能够保证了缓存中数据有效性，减少了对数据库的调用，从而提高整体性能。
异步处理，系统解耦
随着业务的发展，同一份数据可能有不同的分析用途，数据成功写入到 mysql 的同时也需要被同步到其他系统；如果用同步的方式处理，一方面拉长了一次事务整个流程，另一方面系统间也会相互影响
数据在 mysql 中操作成功后才会记录在 binlog 中，保证下游处理到时的一致性；使用 binlog 服务完成数据的下发，有助于系统的解耦。
关于异步处理，系统解耦在《 消息队列在企业架构中扮演着什么角色？ 》一文中有更深入的解读 。
即席查询的 BI 系统
就如文章开篇提到的，mysql 在一定场景下的性能瓶颈，mysql 数据同步到 kudu 后可以借助 sparksql 完成性能的提升
因为同样是 sql 接口，对使用者的切换成本也是较低的，数据同步到更适合的存储中进行查询，也能够避免因大查询而对原 mysql 库其他查询的影响
目前小米内部稳定运行 3000+ 的同步作业，使用 binlog 服务同步数据到 kudu 中；小米内部 BI 明星产品 XDATA 借助整套同步流程很好地支持了运营、sql 分析同学日常统计分析的需求
如何使用 Binlog 数据
用户接入数据的时候要求 mysql 库开启 binlog 日志格式必须为 Row 模式：记录的是每一行记录的每个字段变化前后的值，虽然会造成 binlog 数据量的增多，但是能够确保每一条记录准确性，避免数据同步不一致情况的出现
最终通过监听 binlog 日志，LCSBinlog 服务将数据转换成如下的数据结构，写入用户注册的 Topic 中， 目前 Sink 服务使用 SparkStreaming 实时转储数据到 kudu 中，后续也将逐步迁移到 Flink 上以提升资源利用、降低延迟
业务用户也可以根据我们提供的数据格式，实时消费 Talos 数据以实现更复杂的业务逻辑，下表为每一种数据操作，是否保存修改前后的列表
疑难杂症
下面分享 2 个上线后遇到的有趣问题
数据不一致问题，业务使用唯一索引
业务接入一段时间后, 发现部分表会偶尔存在 kudu 表的数据条目数多于同步的 mysql 表的数据条目数，我们将多出来的数据与 mysql 产生的 binlog 日志经过一一对比，发现用户在 mysql 表中设置了唯一索引，通过唯一索引修改了主键，而 kudu 中的数据是通过主键标识或更新一条记录的，于是 update 操作变成了 insert 操作，这就造成了原来的 1 条记录变成了 2 条。
解决办法：对于这种类型的表，LCSBinlog 服务会把一次 Update 操作转换成一条 Delete 数据和一条 Insert 数据
Full Dump 同步历史数据时，客户端超时
服务刚上线的时候，通过 jdbc 执行 sql 的方式完成全量历史数据的同步，在同步的过程中会发现 dump 任务会卡顿很长时间才会返回结果，当数据量很大会出现超时同步失败的情况，会造成数据的延迟。调研后发现使用 mysql 官方 jdbc 在客户端查询数据的时候，默认为从服务器一次取出所有数据放在客户端内存中，fetch size 参数不起作用，当一条 SQL 返回数据量较大时可能会出现 OOM
解决办法：当 statement 设置以下属性时，采用的是流数据接收方式，每次只从服务器接收部份数据，直到所有数据处理完毕。优化后历史数据同步稳定运行，对 mysql 端的压力也很小
总结
MySQL 以 Binlog 日志的方式记录数据变化，基于流式数据的 Change Data Caputre (CDC) 机制实现了 LCSBinlog 服务。本文主要对 LCSBinlog 的服务架构、应用场景以及在小米内部的实践经验进行了介绍，也和大家分享了我们实际中遇到的问题和解决方案，希望能够帮助到大家理解服务的原理，带来启发，也欢迎大家和我们一起交流。
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