PhxSQL是一個兼容MySQL、服務高可用、數據強一致的關系型數據庫集群。PhxSQL以單Master多Slave方式部署，在集群內超過一半機器存活的情況下，可自身實現自動Master切換，且保證數據一致性。

PhxSQL基于Percona 5.6開發。Percona是MySQL的一個分支，功能和實現與MySQL基本一致。因此本文后續直接把MySQL作為討論對象。

MySQL半同步復制存在缺陷，在Master進行切換的場景下，數據難以保證一致。

• 當舊Master復制失敗時，舊Master和Updated Slave(已收到Binlog的Slave)需要回滾數據。
• 當Master進行切換時，舊Master仍有部分Client進行讀寫。

關于MySQL半同步復制的數據一致性問題可查看微信后臺團隊公眾號文章MySQL半同步復制的數據一致性探討。

PhxSQL的設計是為了解決MySQL半同步復制的不足，使MySQL集群在Master切換過程中保證數據的一致。

PhxSQL架構   

圖1 PhxSQL 三層架構

為了解決MySQL的兩個問題(Binlog復制和Master切換)，PhxSQL設計了兩個模塊(Phxbinlogsvr、Phxsqlproxy)和一個MySQL插件(Phxsync)。Phxbinlogsvr負責處理MySQL的Binlog復制和Master管理;Phxsqlproxy負責透傳Client請求到Master;Phxsync插件負責MySQL和Phxbinlogsvr的交互。 一臺部署了Phxsqlproxy，MySQL和Phxbinlogsvr的機器稱為PhxSQL Node。如圖1。

PhxSQL復制流程   

圖2.1 MySQL復制流程   

圖2.2 PhxSQL復制流程

圖2 MySQL和PhxSQL的數據復制流程

在PhxSQL中，Phxbinlogsvr負責管理MySQL的角色和存儲MySQL的Binlog，Phxbinlogsvr和其管理的MySQL部署在同一臺物理機上。

MySQL Master在Send Event階段不再把Binlog復制給Slave，而是通過Phxsync插件，把數據復制到Phxbinlogsvr集群。

MySQL Slave也不再從Master獲取Binlog，而是從本機的Phxbinlogsvr獲取。

Phxbinlogsvr集群使用Paxos協議進行數據復制。

PhxSQL使用PhxPaxos庫，詳情請查看微信后臺團隊公眾號文章微信自研生產級paxos類庫PhxPaxos實現原理介紹。   

圖3 Phxbinlogsvr形成一個可靠日志存儲    

圖4 重啟向Phxbinlogsvr詢問PendingBinlog狀態

從邏輯上來看，利用Paxos協議進行復制，使Phxbinlogsvr形成一個可靠的日志存儲。PhxSQL可以看成是為MySQL增加了一個用Paxos實現的可靠Binlog存儲，只要集群中多數派機器存活，就可以解決半同步復制的回滾問題。如圖3。

分別從Master和Slave的角度來解釋：

Master重啟時，通過詢問Phxbinlogsvr(多數派)Pending Binlog是否存在來決定是否需要回滾。如圖4。

Slave從本機Phxbinlogsvr能拉取到的Binlog都已經經過Paxos協議成功復制到多數派機器，因此對于Slave來說不存在回滾的問題。

Phxbinlogsvr通過Paxos協議復制數據，很好的解決了MySQL中需要手動回滾Binlog和在大集群時同時需要回滾Updated Slave上的Binlog的問題。

PhxSQL的Master管理 

 

圖5 多個Master同時寫入數據，導致數據不一致

MySQL多Master同時寫入會導致數據的不一致。如圖5，機器A是舊Master，在收到機器B成為了新Master的消息之前提交了Transaction 3;而同時機器B已成為新Master，Transaction 3則會留在機器A而未復制到機器B，最終兩機的數據不一致。

MySQL多Master問題的產生，源于機器間無法得知當前Master的狀態，***導致兩臺機器的數據不一致。

即使使用外部服務(例如zookeeper)也無法解根本問題。

1. 對Master查詢和查詢之后的操作不是原子操作，無法保證操作時的準確狀態(例如機器A向外部服務查詢得知自己是Master，然后執行復制Binlog操作。但期間出現故障導致兩個操作之間停頓了很長時間(譬如1天)。在該期間內Master被切換，使得機器A在執行復制Binlog時，已不再是Master，導致了多Master的情況發生。)
2. Master管理依賴外部服務的穩定性。

多Master問題由于細節太多，暫不在此討論。

PhxSQL自身進行了Master管理，具有以下特點：

1. Master通過Paxos協議投票選出。
2. Master帶有租約，并定時續租。租約過期后，需重新選舉新的Master。
3. 全局只有1個Master，或者沒有Master存在。
4. 有效拒絕過期Master的非法寫入。

PhxSQL的Master自動切換

PhxSQL實現了舊Master的自動數據回滾和Master管理，使得PhxSQL可以安全地實現Master的自動切換，提供高可用服務。和常見的MySQL切換Master方案不同，PhxSQL在切換Master之后仍然保證集群內各機數據一致。 

圖6

PhxSQL自動Master流程如下：

1. Slave機器上的Phxbinlogsvr定期檢查Master是否過期。如果過期轉第2步，否則繼續第1步;
2. Phxbinlogsvr檢查本機MySQL是否已執行完所有Binlog。如果已完成轉第3步，否則繼續第1步;
3. Phxbinlogsvr發起投票選舉新的Master。如果投票成功，提升本機MySQL為Master，關閉readonly開關;否則繼續第1步;
4. 舊Master恢復，本機的Phxbinlogsvr查詢發現已不是Master，切換MySQL角色為Slave，設置從本機Phxbinlogsvr拉取Binlog，并開啟readonly開關。

Phxsqlproxy請求透傳

Phxbinlogsvr解決了多Master同時寫入的問題，使得MySQLClient向舊Master寫入數據會產生失敗。雖然保證了數據的一致性，但仍存在下面2個問題：

1. MySQLClient持續向舊Master寫入數據，從而持續的失敗。(服務不可用)
2. 部分MySQLClient向新Master寫入數據，但其他MySQLClient仍然向舊Master讀取數據，導致讀不到***的數據。 

圖7

上述兩個問題都是由于MySQLClient的Master信息更新不及時;部分Client沒有及時更新，使得有可能產生PhantomRead(兩次讀的結果不一致)。 

圖8 Phxsqlproxy的請求透傳

若Slave機器被訪問，Phxsqlproxy則會把請求透傳到Master機器的Phxsqlproxy。由于PhxSQL Master的全局唯一性，保證了只存在一臺MySQL被訪問。從而解決了多臺機器同時被讀寫的問題。

PhxSQL性能

使用sysbench工具對PhxSQL和MySQL的半同步復制進行了性能對比。PhxSQL因為增加了Phxsqlproxy，導致讀性能比原生MySQL略低;但由于PhxPaxos的實現比MySQL的半同步更加高效，讓PhxSQL的寫性能比半同步復制更好。

PhxSQL比MySQL讀性能比原生MySQL略低，但寫性能比MySQL半同步復制更好。

測試環境和結果如下：

機型信息

CPU : Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2420 0 @ 1.90GHz * 24

內存 : 32G

磁盤 : SSD Raid10

網絡互Ping耗時

Master -> Slave : 3 ~ 4ms

Client -> Master : 4ms

壓測工具和參數

sysbench --oltp-tables-count=10 --oltp-table-size=1000000 --num-threads=500 --max-requests=100000 --report-interval=1 --max-time=200

壓測內容

PhxSQL和半同步復制在Client線程200和500的環境下進行下面方式的壓測：

• insert.lua (100%寫)
• select.lua (0%寫)
• OLTP.lua (20%寫)

壓測結果

Client線程數：200

Client線程數：500 

注：耗時分別為測試結果的平均耗時/95%分位數耗時，單位ms

總結

PhxSQL解決了MySQL半同步復制中數據回滾和多Master的問題，使其能實現自動Master切換且保證數據一致。PhxSQL因為增加了Phxsqlproxy，導致讀性能比原生MySQL略低;但由于PhxPaxos的實現比MySQL的半同步更加高效，讓PhxSQL的寫性能比半同步復制更好。