副本集

副本集（Replica Set）是 MongoDB 实现高可用的核心机制，提供数据冗余和故障自动恢复。

副本集基础

什么是副本集？

副本集是一组 MongoDB 服务器，包含一个主节点和多个从节点（副本）：

副本集的优势

1. 高可用性：主节点故障时自动选举新主节点
2. 数据冗余：数据在多个节点保存
3. 读写分离：可以将读操作分发到从节点
4. 故障恢复：自动故障转移，无需人工干预

副本集架构

成员类型

成员类型	作用	说明
Primary	主节点	接收所有写操作
Secondary	从节点	复制主节点数据，可选接受读操作
Arbiter	仲裁节点	不存储数据，只参与选举

Oplog

Oplog（操作日志）是副本同步的核心：

// 主节点记录所有写操作到 oplog
// 从节点通过读取和应用 oplog 来同步数据
db.oplog.rs.find().sort({ ts: -1 })

选举机制

当主节点不可用时，副本集会进行选举：

1. 触发条件：主节点心跳超时（默认 10 秒）
2. 选举过程：从节点发起选举，获取多数票
3. 选举原则：获得多数投票的节点成为新主节点

配置副本集

启动副本集成员

// 配置文件方式 (mongod.conf)
storage:
  dbPath: /data/db
systemLog:
  destination: file
  path: /var/log/mongodb/mongod.log
replication:
  replSetName: "rs0"

// 命令行方式
mongod --replSet rs0 --port 27017 --dbpath /data/db

初始化副本集

// 连接任意成员，初始化副本集
rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "localhost:27017" },
    { _id: 1, host: "localhost:27018" },
    { _id: 2, host: "localhost:27019", arbiterOnly: true }
  ]
})

查看副本集状态

// 查看状态
rs.status()

// 查看配置
rs.conf()

// 查看成员详情
rs.isMaster()

读写策略

写入策略

// 默认写入主节点
db.users.insertOne({ name: "test" })

// 确认写入成功（默认 w: 1）
db.users.insertOne({ name: "test" }, { writeConcern: { w: "majority" } })

// 确认写入多数节点
db.users.insertOne(
  { name: "test" },
  { writeConcern: { w: "majority", wtimeout: 5000 } }
)

读取策略

// 默认从主节点读取
db.users.find()

// 从主节点读取（显式）
db.users.find().readPref("primary")

// 从最近从节点读取
db.users.find().readPref("nearest")

// 从从节点读取（可能读取到过期数据）
db.users.find().readPref("secondaryPreferred")

// 从特定标签的节点读取
db.users.find().readPref("secondary", [{ datacenter: "dc1" }])

故障转移

自动故障转移

// 模拟主节点故障
// 副本集自动选举新主节点

// 查看当前主节点
db.isMaster()

// 故障转移后的新主节点
// 之前的从节点成为新的主节点

手动故障转移

// 手动触发主节点降级（用于维护）
rs.stepDown()

// 强制重新选举
rs.stepDown(60)  // 60 秒内不参与选举

副本集成员操作

// 添加成员
rs.add("localhost:27020")

// 添加仲裁节点
rs.add({ host: "localhost:27021", arbiterOnly: true })

// 移除成员
rs.remove("localhost:27020")

// 修改成员配置
var config = rs.conf()
config.members[0].priority = 2  // 提高优先级
rs.reconfig(config)

副本集连接

连接字符串

// 副本集连接
mongodb://localhost:27017,localhost:27018,localhost:27019/?replicaSet=rs0

// 带有读写策略
mongodb://localhost:27017,localhost:27018,localhost:27019/?replicaSet=rs0&readPreference=secondaryPreferred

Java 连接示例

const { MongoClient } = require('mongodb');

const uri = 'mongodb://localhost:27017,localhost:27018,localhost:27019/?replicaSet=rs0';

const client = new MongoClient(uri, {
  useNewUrlParser: true,
  useUnifiedTopology: true,
  readPreference: 'secondaryPreferred'
});

await client.connect();

副本集监控

// 查看复制延迟
db.adminCommand({ replSetGetStatus: 1 })
// 查看 "syncingTo" 和 "lag" 字段

// 查看 oplog 大小
db.oplog.rs.stats().maxSize

// 查看同步状态
db.printReplicationInfo()

// 监控复制延迟（定期执行）
function getReplicationLag() {
  const status = rs.status();
  return status.members.map(m => ({
    name: m.name,
    state: m.stateStr,
    optime: m.optime,
    lag: m.optimeDate - new Date(status.members[0].optimeDate)
  }));
}

副本集最佳实践

1. 至少 3 个成员：确保多数票选举
2. 跨机架/机房部署：提高容灾能力
3. 合理配置优先级：控制主节点位置
4. 监控复制延迟：及时发现同步问题
5. 定期检查 oplog 大小：确保不会用尽

// 推荐配置：3 个数据节点
{
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "node1:27017", priority: 2 },
    { _id: 1, host: "node2:27017", priority: 1 },
    { _id: 2, host: "node3:27017", priority: 1 }
  ]
}

// 如果需要仲裁，使用 5 个成员
{
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "node1:27017" },
    { _id: 1, host: "node2:27017" },
    { _id: 2, host: "node3:27017" },
    { _id: 3, host: "node4:27017", priority: 0 },
    { _id: 4, host: "node5:27017", arbiterOnly: true }
  ]
}

小结

本章我们学习了：

1. 副本集基础：高可用架构和核心概念
2. 副本集成员：Primary、Secondary、Arbiter
3. Oplog：操作日志和同步机制
4. 选举机制：故障转移原理
5. 配置和管理：初始化、监控、故障转移
6. 读写策略：读偏好和写确认
7. 最佳实践：生产环境配置建议