開源地址：
https://github.com/tencent-wechat/phxsql
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PhxSQL是一個兼容MySQL、服務高可用、數據強一致的關係型數據庫集羣。PhxSQL以單Master多Slave方式部署，在集羣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基於Percona 5.6開發。Percona是MySQL的一個分支，功能和實現與MySQL基本一致。因此本文後續直接把MySQL作爲討論對象。
MySQL半同步複製存在缺陷，在Master進行切換的場景下，數據難以保證一致。
當舊Master複製失敗時，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。
關於MySQL半同步複製的數據一致性問題可查看微信後臺團隊公衆號文章MySQL半同步複製的數據一致性探討。
PhxSQL的設計是爲了解決MySQL半同步複製的不足，使MySQL集羣在Master切換過程中保證數據的一致。
PhxSQL架構
圖1 PhxSQL 三層架構
爲了解決MySQL的兩個問題（Binlog複製和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複製和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的機器稱爲PhxSQL Node。如圖1。
PhxSQL複製流程
圖2.1 MySQL複製流程
圖2.2 PhxSQL複製流程
圖2 MySQL和PhxSQL的數據複製流程
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複製給Slave，而是通過Phxsync插件，把數據複製到Phxbinlogsvr集羣。
MySQL Slave也不再從Master獲取Binlog，而是從本機的Phxbinlogsvr獲取。
Phxbinlogsvr集羣使用Paxos協議進行數據複製。
PhxSQL使用PhxPaxos庫，詳情請查看微信後臺團隊公衆號文章微信自研生產級paxos類庫PhxPaxos實現原理介紹。
圖3 Phxbinlogsvr形成一個可靠日誌存儲
圖4 重啓向Phxbinlogsvr詢問PendingBinlog狀態
從邏輯上來看，利用Paxos協議進行復制，使Phxbinlogsvr形成一個可靠的日誌存儲。PhxSQL可以看成是爲MySQL增加了一個用Paxos實現的可靠Binlog存儲，只要集羣中多數派機器存活，就可以解決半同步複製的回滾問題。如圖3。
分別從Master和Slave的角度來解釋：
Master重啓時，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協議成功複製到多數派機器，因此對於Slave來說不存在回滾的問題。
Phxbinlogsvr通過Paxos協議複製數據，很好的解決了MySQL中需要手動回滾Binlog和在大集羣時同時需要回滾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成爲了新Master的消息之前提交了Transaction 3；而同時機器B已成爲新Master，Transaction 3則會留在機器A而未複製到機器B，最終兩機的數據不一致。
MySQL多Master問題的產生，源於機器間無法得知當前Master的狀態，最後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。
對Master查詢和查詢之後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，然後執行復制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。）
Master管理依賴外部服務的穩定性。
多Master問題由於細節太多，暫不在此討論。
PhxSQL自身進行了Master管理，具有以下特點：
Master通過Paxos協議投票選出。
Master帶有租約，並定時續租。租約過期後，需重新選舉新的Master。
全局只有1個Master，或者沒有Master存在。
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之後仍然保證集羣內各機數據一致。
圖6
PhxSQL自動Master流程如下：
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；
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；
Phxbinlogsvr發起投票選舉新的Master。如果投票成功，提升本機MySQL爲Master，關閉readonly開關；否則繼續第1步；
舊Master恢復，本機的Phxbinlogsvr查詢發現已不是Master，切換MySQL角色爲Slave，設置從本機Phxbinlogsvr拉取Binlog，並開啓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：
MySQLClient持續向舊Master寫入數據，從而持續的失敗。（服務不可用）
部分MySQLClient向新Master寫入數據，但其他MySQLClient仍然向舊Master讀取數據，導致讀不到最新的數據。
圖7
上述兩個問題都是由於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。由於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的半同步複製進行了性能對比。PhxSQL因爲增加了Phxsqlproxy，導致讀性能比原生MySQL略低；但由於PhxPaxos的實現比MySQL的半同步更加高效，讓PhxSQL的寫性能比半同步複製更好。
PhxSQL比MySQL讀性能比原生MySQL略低，但寫性能比MySQL半同步複製更好。
| 讀性能 | 寫性能 | |||
| Client線程數 | QPS | 耗時 | QPS | 耗時 |
| 200 | 約降低3% | 耗時約增加2% | 約增高25% | 約降低20% |
| 500 | 約降低13% | 約增加10% | 約增高16% | 約降低10% |
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和半同步複製在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
| insert.lua (100%寫) | ||
| QPS | 耗時 | |
PhxSQL | 5076 | 39.34/56.93 |
MySQL 半同步 | 4055 | 49.27/66.64 |
| select.lua (0%寫) | ||
| QPS | 耗時 | |
PhxSQL | 46334 | 4.21/5.12 |
MySQL 半同步 | 47528 | 4.10/5.00 |
| OLTP.lua (20%寫) | ||
| QPS | 耗時 | |
PhxSQL | 25657 | 140.16/186.39 |
MySQL 半同步 | 20391 | 176.39/226.76 |
Client線程數：500
| insert.lua (100%寫) | ||
| QPS | 耗時 | |
PhxSQL | 8260 | 60.41/83.14 |
MySQL 半同步 | 7072 | 70.60/91.72 |
| select.lua (0%寫) | ||
| QPS | 耗時 | |
PhxSQL | 105928 | 4.58/5.81 |
MySQL 半同步 | 121535 | 4.17/5.08 |
| OLTP.lua (20%寫) | ||
| QPS | 耗時 | |
PhxSQL | 46543 | 192.93/242.85 |
MySQL 半同步 | 33229 | 270.38/345.84 |
注：耗時分別爲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半同步複製中數據回滾和多Master的問題，使其能實現自動Master切換且保證數據一致。PhxSQL因爲增加了Phxsqlproxy，導致讀性能比原生MySQL略低；但由於PhxPaxos的實現比MySQL的半同步更加高效，讓PhxSQL的寫性能比半同步複製更好。
開源地址：
https://github.com/tencent-wechat/phxsql
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附錄：
