概述

Replica Set，一般翻译为副本集，RS，是MongoDB官方提供的一个数据及应用高可用解决方案。

RS由2个或更多个节点组成，其中一个用于处理写操作的是主节点（Primary），还有多个用于保存主节点的数据副本的从节点（Secondary）。如果主节点崩溃，则从节点会从其中选取出一个新的主节点。从节点定时通过oplog从主节点复制数据，实现自动failover和recovery。客户端可以从主节点或从节点读取数据，但只能往主节点写数据。

MongoDB支持两种复制的模式：

Master Slave，主从复制，角色包括master和slave
Replica Set，复制集复制，角色包括primary和secondary

副本集架构图

RS适用场景：

数据冗余
自动failover，提供高可用性的服务
分散读的负载
简化维护(相对于master-slave来说）
灾难恢复

节点

副本集中的节点主要分为三种：

主节点：Primary，包含所有的写操作的日志。副本服务器集群包含有所有的主服务数据，因此当主服务器挂掉时，就会在副本服务器上重新选取一个成为主服务器。
从节点：Seconary，也叫副本节点，正常情况下，副本集的从节点会参与主节点选举，并从主节点同步最新写入的数据，以保证与主节点存储相同的数据。通常，从节点提供读服务，增加从节点可以提供副本集的读服务能力，同时提升副本集的可用性。
副本节点可以通过配置指定其具体的属性，比如选举、隐藏、延迟同步等，最多可以有50个副本节点，但只能有7个副本节点能参与选举。
仲裁节点：Arbiter，只参与投票，不能被选举为主节点，并且不从主节点同步数据。当副本集成员为偶数时，最好加入一个仲裁节点，以提升副本集的可用性。当然，如果可以的话，最好使用没有仲裁者的部署。添加额外的仲裁者并不能加快选举速度，也不能提供更好的数据安全性，仅仅能使得副本集成员数为奇数防止选举出现平票。

成员属性

RS的成员具备以下常见属性：

priority：对于副本节点，可以通过该属性来增大或减小该节点被选举成为主节点的可能性，取值范围为0-1000（如果是arbiters，则取值只有0或1），数据越大，成为主节点的可能性越大，如果被配置为0，就不能被选举成为主节点，也不能主动发起选举。
这种特性一般会被用在有多个数据中心的情况下，如一个主数据中心，一个备份数据中心，主数据中心速度会更快，如果主节点挂掉，希望新主节点也在主数据中心产生，就可以设置在备份数据中心的副本节点优先级为0
hidden：隐藏节点会从主节点同步数据，但对客户端不可见，在mongo shell 执行db.isMaster()方法也不会展示该节点，隐藏节点Priority必须为0，即不可以被选举成为主节点。但是如果有配置选举权限的话，可以参与选举。
隐藏节点对客户端不可见，跟客户端不会互相影响，可以用来备份数据或者跑一些后端定时任务之类的操作
slaveDelay：延迟同步即延迟从主节点同步数据，如延迟时间配置1小时，现在时间是 09:52，那么延迟节点中只同步到主节点 08:52 之前的数据。延迟节点必须是隐藏节点，且Priority为0。
为了防止数据库误操作，比如更新服务前，一般会先执行数据库更新脚本，如果脚本有问题，且操作前未做备份，那数据可能就找不回。但如果说配置延迟节点，那误操作完，还有该节点可以兜底。
tags：支持对副本集成员打标签，在查询数据时会用到，如找到对应标签的副本节点，然后从该节点读取数据，可以根据标签对节点分类，查询数据时不同服务的客户端指定其对应的标签的节点，对某个标签的节点数量进行增加或减少，也不怕会影响到使用其他标签的服务。
votes：表示节点是否有权限参与选举，最大可以配置7个副本节点参与选举。

成员类型

包括被动成员和隐藏成员：

被动成员
给从节点设置 priority 可以指定其成为主节点的优先级，取值范围是 0 到 100，默认是1。
优先级为 0 的从节点不参与选举，这样的从节点被称为被动成员。
拥有最高优先级的成员总是会被选举为主节点（只要它能连接到副本集中的大多数成员，并且拥有最新的数据）。
隐藏成员
给从节点设置 hidden 为 true 可以将其作为隐藏成员，隐藏成员只对 isMaster 不可见。
客户端不会向隐藏成员发送请求，隐藏成员也不会优先作为副本集的数据源（尽管当其他复制源不可用时隐藏成员也会被使用）。
通常会将性能较弱的服务器或者备份服务器隐藏起来，因此，隐藏成员适合做数据备份、离线计算的任务。

成员状态

成员之间通过心跳来传达自己的状态。最常见的状态就是“主节点”和“从节点”状态，其他状态：

STARTUP: 成员在第一次启动时的状态，正在尝试加载副本集配置
STARTUP2: 配置被加载后进入这个状态，初始化同步过程会持续处于这个状态
RECOVERING: 成员运行正常，但不能处理读请求
ARBITER: 仲裁节点独有的特殊状态
DOWN: 一个成员被正常启动，但后来变为不可访问
UNKNOWN: 如果一个成员未能访问到另一个成员，那么就不知道它处于什么状态
REMOVED: 此成员已被从副本集中移除
ROLLBACK: 成员正在回滚数据中会处于此状态

实战

部署

通过k8s部署副本集

该配置中描述的资源：
◈ 从核心开始，有一个名为 mongo-node1 的容器。 mongo-node1 包含一个名为 mongo 的镜像，这是一个在 Docker Hub [5] 上托管的一个公开可用的 MongoDB 容器镜像。容器在集群中暴露端口 27107。
◈ Kubernetes 的数据卷功能用于将连接器中的 /data/db 目录映射到名为 mongo-persistent-storage1 的永久存储上，这又被映射到在 Google Cloud 中创建的名为 mongodb-disk1 的磁盘中。这是 MongoDB 存储其数据的地方，这样它可以在容器重新编排后保留。
◈ 容器保存在一个 pod 中，该 pod 中有标签命名为 mongo-node，并提供一个名为 rod 的（任意）示例。
◈ 配置 mongo-node1 复制控制器以确保 mongo-node1 pod 的单个实例始终运行。
◈ 名为 mongo-svc-a 的负载均衡服务给外部开放了一个 IP 地址以及 27017 端口，它被映射到容器相同的端口号上。该服务使用选择器来匹配 pod 标签来确定正确的 pod。外部 IP 地址和端口将用于应用程序以及副本集成员之间的通信。每个容器也有本地 IP 地址，但是当容器移动或重新启动时，这些 IP 地址会变化，因此不会用于副本集。

添加节点

副本集数据量比较大时如何添加次节点
当副本集的数据量比较大时，添加新节点时，如果使用初始化同步的话，会给主节点造成比较大的压力。有以下选择：

暂停当前副本集中的一个次节点，然后将次节点的数据(data)复制到要新添加的节点的数据目录。然后再将两个节点启动。(建议先测试)
如果要复制数据文件，请确保您的副本包含local数据库的内容。
指定同步节点 rs.syncFrom(hostportstr)，指定同步节点为次节点，默认的是同步节点是主节点。
但是该设置在重新启动节点，或者同步指定的新节点的连接被关闭了，是会失效的。(建议先测试)

选举

触发时机
当出现以下情况时，会触发选举机制：

初始化副本集时
往副本集中新加入节点
对副本集进行维护时，如执行rs.stepDown()或rs.reconfig()操作时
从节点失联时，如超时（默认是10秒）

以下因素会影响到选举结果：

副本集的选举协议
心跳
成员权重
数据中心失联
网络分区
镜像读取

故障转移回滚
回滚指的是，当成员在故障转移后重新加入其副本集时，将还原之前主节点上的写操作，并恢复成现在主节点的状态数据。

仅当节点接收到主节点降级前未成功复制的写操作后，重新加入副本集群之后发现与现有主节点的数据不一致时，才需要回滚。

当节点重新加入到副本集群时，它会还原或“回滚”其不一致的写操作，以保持与其他成员的一致性。

写关注

Write concern，指写入一条数据，主节点处理完成后，需要其他承载数据的副本节点也确认写成功后，才能给客户端返回写入数据成功。
这个功能主要是解决主节点挂掉后，数据还未来得及同步到副本节点，而导致数据丢失的问题。

可以配置节点个数，默认配置{"w": 1}，表示主节点写入数据成功，即可给客户端返回成功；{"w": 2}，表示除主节点，还需要收到其中一个副本节点返回写入成功，才能给客户端返回成功；{"w": majority}，表示需要集群中大多数承载数据且有选举权限的节点返回写入成功。

在写请求中指定 writeConcern 相关参数：

db.products.insert(
    { item: "envelopes", qty: 100, type: "Clasp" },
    { writeConcern: { w: "majority", wtimeout: 5000 } }
)

修改副本集 getLastErrorDefaults 配置：

cfg = rs.conf()
cfg.settings.getLastErrorDefaults = { w: "majority", wtimeout: 5000 }
rs.reconfig(cfg)

读偏好

Read preference，为了保持一致性，写只能通过主节点，但读可以选择主节点，也可以选择副本节点，区别是主节点数据最新，副本节点因为同步问题可能会有延迟，但从副本节点读取数据可以分散对主节点的压力。

读写模式

默认情况下，副本集的所有读请求都发送到主节点，Driver 可通过设置 Read Preference 来将请求路由到其他节点，规则如下：

primary：默认规则，所有读请求发送到主节点
primaryPreferred：主节点优先，如果主节点不可达，请求从节点
secondary：所有读请求发送到从节点
secondaryPreferred：从节点优先，当所有从节点不可达时请求主节点
nearest：读请求发送到最近的可达节点上（通过 ping 探测得出最近的节点）

3个条件，条件是在符合模式的基础上，再根据条件删选具体的节点

Tag Sets（标签）
这个可以给节点加上标签，然后查找数据时，可以根据标签选择对应的节点，然后在该节点查找数据。可通过mongo shell 使用rs.conf()查看当前每个节点下面的 tags，修改或添加tags 过程同上面修改 getLastErrorDefaults 配置，如：cfg.members[n].tags = { "region": "South", "datacenter": "A" }
maxStalenessSeconds （可容忍的最大同步延迟）
这个值是指副本节点同步主节点写入的时间跟主节点实际最近写入时间的对比值，如果主节点挂掉了，那就跟副本集中最新写入的时间做对比。
建议设置，避免因为部分副本节点网络原因导致比较长时间未同步主节点数据，然后读到比较老的数据。该值需要设置 90s 以上，因为客户端是定时去校验副本节点的同步延迟时间，数据不会特别准确，设置比 90s 小，会抛出异常。
Hedged Read （对冲读取）
MongoDB 4.4 版本后才支持，指 mongos 实例路由读取请求时会同时发给两个符合条件的副本集节点，然后那个先返回结果就返回这个结果给客户端。

使用connection string uri时，可加上以下三个参数：

readPreference，枚举值：primary、 primaryPreferred、secondary、secondaryPreferred、nearest
maxStalenessSeconds，最大同步延时秒数，取值0 – 90会报错， -1 表示没有最大值
readPreferenceTags 标签，如果标签是{ "dc": "ny", "rack": "r1" }，则在uri 为 readPreferenceTags=dc:ny,rack:r1

在mogo shell 中，可使用cursor.readPref()或Mongo.setReadPref()，cursor.readPref()参数分别为：mode、tag set、hedge options，例如：

db.collection.find({}).readPref(
    "secondary",                      // mode
    [ { "datacenter": "B" },  { } ],  // tag set
    { enabled: true }                 // hedge options
)

Mongo.setReadPref()类似，预先设置请求条件，这样就不用每个请求后面带上 readPref 条件。

命令

MongoDB提供RS方法：

rs.help()：查看帮助
rs.initiate()：初始化
rs.conf()：查看当前的配置
rs.reconfig()：需找到primary主机，在该主节点服务器上才有权限修改配置
rs.add('ip:port')：添加节点
rs.addArb('ip:port')：添加仲裁节点
rs.remove('ip:port')：移除节点
rs.status()：查看各个节点状态和身份
rs.slaveOk()：次节点执行，表示允许次节点读取数据
rs.freeze(secs)：设定某个节点多少秒不可成为主节点
rs.isMaster()：判断当前节点是否是主节点
rs.syncFrom(hostportstr)：设置次节点从指定节点同步数据
rs.stepDown([stepdownSecs, catchUpSecs])：降低主节点为次节点，只能在主节点上运行，进而触发选举
rs.printReplicationInfo()：以主节点的视角打印RS集群信息
rs.printSecondaryReplicationInfo()：以从节点的视角打印RS集群信息
rs.printSlaveReplicationInfo()：自版本4.4.1后已废弃，使用rs.printSecondaryReplicationInfo()
rs.reconfigForPSASet()：
MongoDB提供的与RS相关的DB方法
db.printSlaveReplicationInfo()：查看副本集的次节点与主节点延迟