MongoDB一次节点宕机引发的思考(源码剖析)

简介
日志分析
副本集如何实现 Failover
- 心跳的实现
- electionTimeout 定时器
业务影响评估
参考链接

声明：本文同步发表于 MongoDB 中文社区，传送门：
http://www.mongoing.com/archives/26759

简介

最近一个 MongoDB 集群环境中的某节点异常下电了，导致业务出现了中断，随即又恢复了正常。
通过ELK 告警也监测到了业务报错日志。

运维部对于节点下电的原因进行了排查，发现仅仅是资源分配上的一个失误导致。在解决了问题之后，大家也对这次中断的也提出了一些问题：

带着这些问题，下面针对副本集的自动Failover机制做一些分析。

日志分析

首先可以确认的是，这次掉电的是一个副本集上的主节点，在掉电的时候，主备关系发生了切换。
从另外的两个备节点找到了对应的日志：

备节点1的日志

2019-05-06T16:51:11.766+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] Starting an election, since we've seen no PRIMARY in the past 10000ms
2019-05-06T16:51:11.766+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] conducting a dry run election to see if we could be elected
2019-05-06T16:51:11.766+0800 I ASIO     [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:11.767+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] VoteRequester(term 3 dry run) received a yes vote from 172.30.129.7:30071; response message: { term: 3, voteGranted: true, reason: "", ok: 1.0 }
2019-05-06T16:51:11.767+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] dry election run succeeded, running for election
2019-05-06T16:51:11.768+0800 I ASIO     [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] VoteRequester(term 4) received a yes vote from 172.30.129.7:30071; response message: { term: 4, voteGranted: true, reason: "", ok: 1.0 }
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] election succeeded, assuming primary role in term 4
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] transition to PRIMARY
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] Entering primary catch-up mode.
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I ASIO     [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Ending connection to host 172.30.129.78:30071 due to bad connection status; 2 connections to that host remain open
2019-05-06T16:51:11.771+0800 I ASIO     [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Connecting to 172.30.129.78:30071
2019-05-06T16:51:13.350+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] Error in heartbeat request to 172.30.129.78:30071; ExceededTimeLimit: Couldn't get a connection within the time limit

备节点2的日志

2019-05-06T16:51:12.816+0800 I ASIO     [NetworkInterfaceASIO-Replication-0] Ending connection to host 172.30.129.78:30071 due to bad connection status; 0 connections to that host remain open
2019-05-06T16:51:12.816+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] Error in heartbeat request to 172.30.129.78:30071; ExceededTimeLimit: Operation timed out, request was RemoteCommand 72553 -- target:172.30.129.78:30071 db:admin expDate:2019-05-06T16:51:12.816+0800 cmd:{ replSetHeartbeat: "shard0", configVersion: 96911, from: "172.30.129.7:30071", fromId: 1, term: 3 }
2019-05-06T16:51:12.821+0800 I REPL     [ReplicationExecutor] Member 172.30.129.160:30071 is now in state PRIMARY

可以看到，备节点1在 16:51:11 时主动发起了选举，并成为了新的主节点，随即备节点2在 16:51:12 获知了最新的主节点信息，因此可以确认此时主备切换已经完成。
同时在日志中出现的，还有对于原主节点(172.30.129.78:30071)大量心跳失败的信息。

那么，备节点具体是怎么感知到主节点已经 Down 掉的，主备节点之间的心跳是如何运作的，这对数据的同步复制又有什么影响？
下面，我们挖掘一下 ** 副本集的自动故障转移(Failover)** 机制

副本集如何实现 Failover

如下是一个PSS(一主两备)架构的副本集，主节点除了与两个备节点执行数据复制之外，三个节点之间还会通过心跳感知彼此的存活。
MongoDB一次节点宕机引发的思考(源码剖析)-LMLPHP

一旦主节点发生故障以后，备节点将在某个周期内检测到主节点处于不可达的状态，此后将由其中一个备节点事先发起选举并最终成为新的主节点。这个检测周期由electionTimeoutMillis 参数确定，默认是10s。

MongoDB一次节点宕机引发的思考(源码剖析)-LMLPHP

接下来，我们通过一些源码看看该机制是如何实现的：

<<来自 MongoDB 3.4源码>>

db/repl/replication_coordinator_impl_heartbeat.cpp
相关方法

ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock 启动各成员的心跳
ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget 调度任务-(计划)向成员发起心跳
ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 执行向成员发起心跳
ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse 处理心跳响应
ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock 调度保活状态检查定时器
ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock 取消并重新调度选举超时定时器
ReplicationCoordinatorImpl::_startElectSelfIfEligibleV1 发起主动选举

db/repl/topology_coordinator_impl.cpp
相关方法

TopologyCoordinatorImpl::prepareHeartbeatRequestV1 构造心跳请求数据
TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse 处理心跳响应并构造下一步Action实例

下面这个图，描述了各个方法之间的调用关系

MongoDB一次节点宕机引发的思考(源码剖析)-LMLPHP
图-主要关系

心跳的实现

首先，在副本集组建完成之后，节点会通过ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock方法开始向其他成员发送心跳：

void ReplicationCoordinatorImpl::_startHeartbeats_inlock() {
    const Date_t now = _replExecutor.now();
    _seedList.clear();

    //获取副本集成员
    for (int i = 0; i < _rsConfig.getNumMembers(); ++i) {
        if (i == _selfIndex) {
            continue;
        }
        //向其他成员发送心跳
        _scheduleHeartbeatToTarget(_rsConfig.getMemberAt(i).getHostAndPort(), i, now);
    }

    //仅仅是刷新本地的心跳状态数据
    _topCoord->restartHeartbeats();

    //使用V1的选举协议(3.2之后)
    if (isV1ElectionProtocol()) {
        for (auto&& slaveInfo : _slaveInfo) {
            slaveInfo.lastUpdate = _replExecutor.now();
            slaveInfo.down = false;
        }

        //调度保活状态检查定时器
        _scheduleNextLivenessUpdate_inlock();
    }
}

在获得当前副本集的节点信息后，调用_scheduleHeartbeatToTarget方法对其他成员发送心跳，
这里_scheduleHeartbeatToTarget 的实现比较简单，其真正发起心跳是由 _doMemberHeartbeat 实现的，如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleHeartbeatToTarget(const HostAndPort& target,
                                                            int targetIndex,
                                                            Date_t when) {
    //执行调度，在某个时间点调用_doMemberHeartbeat
    _trackHeartbeatHandle(
        _replExecutor.scheduleWorkAt(when,
                                     stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat,
                                                this,
                                                stdx::placeholders::_1,
                                                target,
                                                targetIndex)));
}

ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat 方法的实现如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_doMemberHeartbeat(ReplicationExecutor::CallbackArgs cbData,
                                                    const HostAndPort& target,
                                                    int targetIndex) {
    LockGuard topoLock(_topoMutex);

    //取消callback 跟踪
    _untrackHeartbeatHandle(cbData.myHandle);
    if (cbData.status == ErrorCodes::CallbackCanceled) {
        return;
    }

    const Date_t now = _replExecutor.now();
    BSONObj heartbeatObj;
    Milliseconds timeout(0);

    //3.2 以后的版本
    if (isV1ElectionProtocol()) {
        const std::pair<ReplSetHeartbeatArgsV1, Milliseconds> hbRequest =
            _topCoord->prepareHeartbeatRequestV1(now, _settings.ourSetName(), target);
        //构造请求，设置一个timeout
        heartbeatObj = hbRequest.first.toBSON();
        timeout = hbRequest.second;
    } else {
        ...
    }

    //构造远程命令
    const RemoteCommandRequest request(
        target, "admin", heartbeatObj, BSON(rpc::kReplSetMetadataFieldName << 1), nullptr, timeout);

    //设置远程命令回调，指向_handleHeartbeatResponse方法
    const ReplicationExecutor::RemoteCommandCallbackFn callback =
        stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse,
                   this,
                   stdx::placeholders::_1,
                   targetIndex);

    _trackHeartbeatHandle(_replExecutor.scheduleRemoteCommand(request, callback));
}

上面的代码中存在的一些细节：

心跳的超时时间，在_topCoord.prepareHeartbeatRequestV1方法中就已经设定好了
具体的算法就是:

**hbTimeout=_rsConfig.getHeartbeatTimeoutPeriodMillis() - alreadyElapsed**

其中heartbeatTimeoutPeriodMillis是可配置的参数，默认是10s, 那么alreadyElapsed是指此前连续心跳失败(最多2次)累计的消耗时间，在心跳成功响应或者超过10s后alreadyElapsed会置为0。因此可以判断，随着心跳失败次数的增加，超时时间会越来越短(心跳更加密集)

心跳执行的回调，指向自身的_handleHeartbeatResponse方法，该函数实现了心跳响应成功、失败(或是超时)之后的流程处理。

ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse方法的代码片段：

void ReplicationCoordinatorImpl::_handleHeartbeatResponse(
    const ReplicationExecutor::RemoteCommandCallbackArgs& cbData, int targetIndex) {
    LockGuard topoLock(_topoMutex);

    // remove handle from queued heartbeats
    _untrackHeartbeatHandle(cbData.myHandle);
    ...

    //响应成功后
    if (responseStatus.isOK()) {
        networkTime = cbData.response.elapsedMillis.value_or(Milliseconds{0});
        const auto& hbResponse = hbStatusResponse.getValue();

        // 只要primary 心跳响应成功，就会重新调度 electionTimeout定时器
        if (hbResponse.hasState() && hbResponse.getState().primary() &&
            hbResponse.getTerm() == _topCoord->getTerm()) {

            //取消并重新调度 electionTimeout定时器
            cancelAndRescheduleElectionTimeout();
        }
    }
    ...
    //调用topCoord的processHeartbeatResponse方法处理心跳响应状态，并返回下一步执行的Action
    HeartbeatResponseAction action = _topCoord->processHeartbeatResponse(
        now, networkTime, target, hbStatusResponse, lastApplied);
    ...
    //调度下一次心跳，时间间隔采用action提供的信息
    _scheduleHeartbeatToTarget(
        target, targetIndex, std::max(now, action.getNextHeartbeatStartDate()));

    //根据Action 执行处理
    _handleHeartbeatResponseAction(action, hbStatusResponse, false);
}

这里省略了许多细节，但仍然可以看到，在响应心跳时会包含这些事情的处理：

对于主节点的成功响应，会重新调度 electionTimeout定时器(取消之前的调度并重新发起)
通过_topCoord对象的processHeartbeatResponse方法解析处理心跳响应，并返回下一步的Action指示
根据Action 指示中的下一次心跳时间设置下一次心跳定时任务
处理Action指示的动作

那么，心跳响应之后会等待多久继续下一次心跳呢？在 TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse方法中，实现逻辑为：
如果心跳响应成功，会等待heartbeatInterval，该值是一个可配参数，默认为2s；
如果心跳响应失败，则会直接发送心跳(不等待)。

代码如下：

HeartbeatResponseAction TopologyCoordinatorImpl::processHeartbeatResponse(...) {

    ...

    const Milliseconds alreadyElapsed = now - hbStats.getLastHeartbeatStartDate();
    Date_t nextHeartbeatStartDate;

    // 计算下一次 心跳启动时间
    // numFailuresSinceLastStart 对应连续失败的次数(2次以内)
    if (hbStats.getNumFailuresSinceLastStart() <= kMaxHeartbeatRetries &&
        alreadyElapsed < _rsConfig.getHeartbeatTimeoutPeriod()) {
        // 心跳失败，不等待，直接重试心跳
        nextHeartbeatStartDate = now;
    } else {
        // 心跳成功，等待一定间隔后再次发送(一般是2s)
        nextHeartbeatStartDate = now + heartbeatInterval;
    }

    ...
    // 决定下一步的动作，可能发生 tack over(本备节点优先级更高，且数据与主节点一样新时)
    HeartbeatResponseAction nextAction;
    if (_rsConfig.getProtocolVersion() == 0) {
       ...
    } else {
        nextAction = _updatePrimaryFromHBDataV1(memberIndex, originalState, now, myLastOpApplied);
    }
    nextAction.setNextHeartbeatStartDate(nextHeartbeatStartDate);
    return nextAction;
}

electionTimeout 定时器

至此，我们已经知道了心跳实现的一些细节，默认情况下副本集节点会每2s向其他节点发出心跳(默认的超时时间是10s)。
如果心跳成功，将会持续以2s的频率继续发送心跳，在心跳失败的情况下，则会立即重试心跳(以更短的超时时间)，一直到心跳恢复成功或者超过10s的周期。

那么，心跳失败是如何触发主备切换的呢，electionTimeout 又是如何发挥作用？

在前面的过程中，与electionTimeout参数相关两个方法如下，它们也分别对应了单独的定时器：

ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock 发起保活状态检查定时器
ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock 重新发起选举超时定时器

第一个是 _scheduleNextLivenessUpdate_inlock这个函数，它的作用在于保活状态检测，如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_scheduleNextLivenessUpdate_inlock() {
    //仅仅支持3.2+
    if (!isV1ElectionProtocol()) {
        return;
    }


    // earliestDate 取所有节点中更新时间最早的(以尽可能早的发现问题)
    // electionTimeoutPeriod 默认为 10s
    auto nextTimeout = earliestDate + _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod();

    // 设置超时回调函数为 _handleLivenessTimeout
    auto cbh = _scheduleWorkAt(nextTimeout,
                               stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_handleLivenessTimeout,
                                          this,
                                          stdx::placeholders::_1));
}

因此，在大约10s后，如果没有什么意外，_handleLivenessTimeout将会被触发，如下：


void ReplicationCoordinatorImpl::_handleLivenessTimeout(...) {

    ...
    for (auto&& slaveInfo : _slaveInfo) {
        ...

        //lastUpdate 不够新(小于electionTimeout)
        if (now - slaveInfo.lastUpdate >= _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod()) {
            ...
            //在保活周期后仍然未更新节点，置为down状态
            slaveInfo.down = true;

            //如果当前节点是主，且检测到某个备节点为down的状态，进入memberdown流程
            if (_memberState.primary()) {

                //调用_topCoord的setMemberAsDown方法，记录某个备节点不可达，并获得下一步的指示
               //当大多数节点不可见时，这里会获得让自身降备的指示
                HeartbeatResponseAction action =
                    _topCoord->setMemberAsDown(now, memberIndex, _getMyLastDurableOpTime_inlock());
                //执行指示
                _handleHeartbeatResponseAction(action,
                                               makeStatusWith<ReplSetHeartbeatResponse>(),
                                               true);
            }
        }
    }
    //继续调度下一个周期
    _scheduleNextLivenessUpdate_inlock();
}

可以看到，这个定时器主要是用于实现主节点对其他节点的保活探测逻辑：

当主节点发现大多数节点不可达时(不满足大多数原则)，将会让自己执行降备

因此，在一个三节点的副本集中，其中两个备节点挂掉后，主节点会自动降备。这样的设计主要是为了避免产生意外的数据不一致情况产生。

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图- 主自动降备

第二个是_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock函数，这里则是实现自动Failover的关键了，
它的逻辑中包含了一个选举定时器，代码如下：

void ReplicationCoordinatorImpl::_cancelAndRescheduleElectionTimeout_inlock() {

    //如果上一个定时器已经启用了，则直接取消
    if (_handleElectionTimeoutCbh.isValid()) {
        LOG(4) << "Canceling election timeout callback at " << _handleElectionTimeoutWhen;
        _replExecutor.cancel(_handleElectionTimeoutCbh);
        _handleElectionTimeoutCbh = CallbackHandle();
        _handleElectionTimeoutWhen = Date_t();
    }

    //仅支持3.2后的V1版本
    if (!isV1ElectionProtocol()) {
        return;
    }
    //仅备节点可执行
    if (!_memberState.secondary()) {
        return;
    }
    ...
    //是否可以选举
    if (!_rsConfig.getMemberAt(_selfIndex).isElectable()) {
        return;
    }

    //检测周期，由 electionTimeout + randomOffset
    //randomOffset是随机偏移量，默认为 0~0.15*ElectionTimeoutPeriod = 0~1.5s
    Milliseconds randomOffset = _getRandomizedElectionOffset();
    auto now = _replExecutor.now();
    auto when = now + _rsConfig.getElectionTimeoutPeriod() + randomOffset;

    LOG(4) << "Scheduling election timeout callback at " << when;
    _handleElectionTimeoutWhen = when;

    //触发调度，时间为 now + ElectionTimeoutPeriod + randomOffset
    _handleElectionTimeoutCbh =
        _scheduleWorkAt(when,
                        stdx::bind(&ReplicationCoordinatorImpl::_startElectSelfIfEligibleV1,
                                   this,
                                   StartElectionV1Reason::kElectionTimeout));
}

上面代码展示了这个选举定时器的逻辑，在每一个检测周期中，定时器都会尝试执行超时回调，
而回调函数指向的是_startElectSelfIfEligibleV1，这里面就实现了主动发起选举的功能，
如果心跳响应成功，通过cancelAndRescheduleElectionTimeout调用将直接取消当次的超时回调(即不会发起选举)
如果心跳响应迟迟不能成功，那么定时器将被触发，进而导致备节点发起选举并成为新的主节点！

同时，这个回调方法(产生选举)被触发必须要满足以下条件：

当前是备节点
当前节点具备选举权限
在检测周期内仍然没有与主节点心跳成功

这其中的检测周期略大于electionTimeout(10s)，加入一个随机偏移量后大约是10-11.5s内，猜测这样的设计是为了错开多个备节点主动选举的时间，提升成功率。
最后，将整个自动选举切换的逻辑梳理后，如下图所示：

MongoDB一次节点宕机引发的思考(源码剖析)-LMLPHP
图-超时自动选举

业务影响评估

副本集发生主备切换的情况下，不会影响现有的读操作，只会影响写操作。如果使用3.6及以上版本的驱动，可以通过开启retryWrite来降低影响。
但是如果主节点是属于强制掉电，那么整个 Failover 过程将会变长，很可能需要在Election定时器超时后才被副本集感知并恢复，这个时间窗口会在12s以内。
此外还需要考虑客户端或mongos对于副本集角色的监视和感知行为。但总之在问题恢复之前，对于原主节点的任何读写都会发生超时。
因此，对于极为重要的业务，建议最好在业务层面做一些防护策略，比如设计重试机制。

参考链接

https://docs.mongodb.com/manual/replication/#automatic-failover
https://www.percona.com/blog/2016/05/25/mongodb-3-2-elections-just-got-better/
https://www.percona.com/blog/2018/10/10/mongodb-replica-set-scenarios-and-internals/

美码师