基于 MySQL Binlog 的数据同步原理

2018/04/20

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本文介绍了基于 MySQL Binlog 的数据同步原理，详解 MySQL 客户端服务器协议机制和 Binlog 事件处理流程，为构建数据同步系统提供技术基础。

在分布式系统和大数据应用中，数据库之间的实时数据同步是一个基础且重要的需求。无论是主从复制、数据备份，还是构建数据仓库和实时分析系统，都需要及时准确地捕获和传输数据变更。MySQL 的二进制日志 (Binlog) 作为记录数据库所有变更操作的机制，为实现高效可靠的数据同步提供了技术基础。本文将详细分析基于 MySQL Binlog 的数据同步工作原理，包括底层的客户端/服务器协议机制和 Binlog 事件的处理流程。

MySQL 客户端/服务器协议

MySQL 客户端/服务器协议是 MySQL 客户端与 MySQL 服务器通信的基础。MySQL 客户端与服务器的交互流程分为握手认证阶段和命令执行阶段：

握手认证阶段

客户端与服务器建立连接之后，服务器会向客户端发送握手初始化包（Handshake Initialization Packet）。握手初始化包中包含了协议版本、服务器版本、字符编码、服务器权能标志等信息。其中，服务器权能标志用于与客户端协商通讯方式，如是否连接到指定数据库，是否可以使用压缩协议等。

客户端接收到握手初始化包后，会从服务器权能标志中选择本次连接所需要的功能，生成客户端权能标志。客户端将用户名、密码、数据库名称（可选）、客户端权能标志等信息写入客户端认证包（Client Authentication Packet），发送给服务器。服务器收到认证包后，会检查认证信息是否正确，如果正确，则向客户端返回 OK Packet，握手认证阶段结束，进入命令执行阶段。

命令执行阶段

在命令执行阶段，客户端向服务器发送命令（Command Packet），服务器返回命令执行结果。根据执行的命令不同，服务器会返回一个或多个响应包。例如当客户端发送一条"select * from user"查询命令时，服务器将依次返回：

Result Set Header Packet - 包含查询结果中列的数量
若干个 Field Packet - 包含查询结果中其中一列的描述符
一个 EOF Packet - 表示 Field Packet 已经全部发送完
若干个 Row Data Packet - 包含查询结果中其中一行的数据
一个 End Packet - 表示 Row Data Packet 已经全部发送完

当客户端发送退出命令时，命令执行阶段结束，客户端与服务器之间的连接关闭。

协议报文结构

MySQL 客户端/服务器协议的报文结构分为报文头和报文体两个部分：

报文头：占用固定的 4 个字节，包含报文长度和序号两个字段
- 报文长度：表示报文数据的长度，以字节为单位
- 序号：用于保证消息顺序，每次当客户端发起请求时，序号都会从 0 开始计算
报文体：用于保存请求和响应的数据，包含的字段由数据包的类型决定

MySQL Binlog

MySQL 日志包括二进制日志（Binlog）、错误日志（Error Log）、查询日志（Query Log）、慢查询日志（Slow Query Log）等。在默认情况下，MySQL 服务器仅打开了错误日志，以减少 I/O 损耗。但是在实际应用场景中，都至少需要打开 MySQL 的二进制日志，因为 Binlog 记录了所有的数据库修改操作（包括 INSERT、UPDATE、DELETE 等 DML 语句对数据的修改，以及 CREATE、ALTER、DROP 等 DDL 语句对数据表的修改），是 MySQL 进行复制、备份和恢复的基本条件。

MySQL 复制机制

MySQL 复制是指一台 MySQL 服务器从另一台 MySQL 服务器获取 Binlog 日志，解析日志并将变更应用到自身的过程。MySQL 复制有三种模式：基于行的复制（Row 模式）、基于 SQL 语句的复制（Statement 模式）、混合模式复制（Mixed 模式）。相应的，Binlog 格式也分为 Row、Statement、Mixed 三种。

Row 模式

不记录每条 SQL 语句执行时的上下文信息，只记录 SQL 语句影响的所有数据行修改前和修改后的值，因此不会出现因为使用函数或触发器而导致无法正确复制的问题，缺点是在该模式下 Binlog 日志量相对较大。

Statement 模式

记录每一条修改数据的 SQL 语句。相比于 Row 模式，Statement 模式不需要记录每一行的变化，可以减少 Binlog 日志量，降低 I/O 开销，缺点是在使用了函数或触发器的情况下可能会导致复制的数据不一致。

Mixed 模式

是 Row 模式和 Statement 模式的混合使用，MySQL 会根据执行的 SQL 语句选择日志保存方式，一般的操作使用 Statement 格式记录，对于在 Statement 模式下可能无法正确复制的操作，使用 Row 格式记录。

Binlog 事件机制

在 Binlog 文件中，数据库的变更以事件（Binlog Event）的形式记录。例如在 Row 模式下，执行"update user set password= 'admin'"语句，Binlog 文件会记录一个 UpdateRowsEvent，这个 Event 中包含了被更新的每一行数据修改前和修改后的值。通过解析 Binlog Event，就可以获取到数据库的变更。