PG数据库之流复制详解

一、流复制的定义

PostgreSQL流复制（Streaming Replication）是一种数据复制技术，它允许实时传输数据更改，从而在主服务器和一个或多个备用服务器之间保持数据同步。流复制是PostgreSQL数据库管理系统（DBMS）提供的一种高可用性和数据冗余机制，通过实时地在主节点和从节点之间复制数据，确保数据的一致性和可靠性。流复制技术自PostgreSQL 9.0版本引入以来，已经成为许多企业和高可用系统中的重要组成部分。

二、流复制的原理

流复制的核心思想是主节点将所有写入操作记录到一个称为写入前日志（Write-Ahead Logging，WAL）的文件中，而从节点则从主节点的WAL中读取这些变更并将其应用到自己的数据库中。以下是流复制的主要步骤和原理：

1. WAL日志生成：

当主节点上发生写入操作时，该操作将被记录到WAL中。WAL是一个顺序写入的日志文件，它记录了所有数据库变更的详细信息，包括事务ID、操作类型、受影响的数据等。

2. WAL日志传输：

主节点通过WAL日志传输进程（walsender）将WAL日志块发送给从节点。从节点上的WAL日志接收进程（walreceiver）接收到这些WAL日志块后，会将其写入到本地的WAL日志文件中。

3. WAL日志应用：

从节点上的启动进程（startup）会不断地从本地的WAL日志文件中读取变更记录，并将这些变更应用到自己的数据库中。应用过程是顺序执行的，以确保从节点上的数据与主节点保持一致。

4. 数据同步与一致性：

通过流复制，主节点和从节点之间可以保持数据的实时同步，确保数据的一致性。在同步复制模式下，主节点必须确保事务的变更已经被从节点接收并应用后，才会提交该事务，从而确保数据的一致性。

三、流复制的应用场景

流复制技术在许多应用场景中都发挥着重要作用，包括但不限于以下几个方面：

1. 高可用数据系统：

在高可用数据系统中，流复制是一种非常重要的技术，可以确保数据的一致性和可靠性。当主节点出现故障时，从节点可以立即接管，从而最小化数据丢失和停机时间。

2. 数据同步：

在数据同步的场景中，流复制可以实时地复制数据，确保数据的一致性和可靠性。例如，在分布式系统中，流复制可以确保各个节点之间的数据同步。

3. 跨数据中心复制：

使用流复制技术可以在不同的数据中心之间复制数据，并将数据保持在高度的一致性和可靠性。这对于实现地理分散的数据冗余和容灾具有重要意义。

4. 读写分离：

通过流复制，可以将读取操作分流到从节点，从而减轻主节点的负载。这对于高并发读写的应用场景非常有用，可以提高系统的整体性能。

四、流复制的配置与部署

为了实现流复制，需要在主节点和从节点上进行相应的配置和部署。以下是一个简要的配置和部署步骤：

1. 主节点配置：

• 修改postgresql.conf文件，设置以下关键参数：

  • wal_level：设置为replica或更高（如logical），以支持流复制。
  • max_wal_senders：设置最大WAL发送进程数量，根据实际需求进行调整。
  • wal_keep_size：设置主节点上保留的WAL日志的最小大小（以MB为单位），以支持从节点的读取操作。
  • archive_mode：设置为on，以支持WAL日志的归档。
  • archive_command：设置归档命令，用于将WAL日志文件归档到指定的存储位置。

• 修改pg_hba.conf文件，配置从节点连接主节点的权限：

  host replication replication_user standby_ip/32 md5
  

• 创建一个具有复制权限的用户，用于从节点连接主节点：

  CREATEROLE replication_user REPLICATION LOGIN PASSWORD 'replication_password';
  

• 重启PostgreSQL服务，使配置生效。

2. 从节点配置：

• 修改postgresql.conf文件，设置以下关键参数：

  • hot_standby：设置为on，以支持从节点的只读查询。
  • primary_conninfo：设置连接主节点所需的参数信息，包括主节点的IP地址、端口、用户等。
  • primary_slot_name：如果启用了逻辑复制槽（replication slot），可以设置此参数以确保WAL日志不会过早被删除。

• 使用pg_basebackup工具初始化从节点的数据目录，并从主节点同步初始数据：

  pg_basebackup -h primary_ip -D /path_to_standby_data_dir -U replication_user -P -v --wal-method=stream
  

• 修改recovery.conf文件（在PostgreSQL 12及以后的版本中，该文件的内容已经整合到postgresql.conf中），设置以下参数：

  • standby_mode：设置为on，以表明这台机器是从节点。
  • primary_conninfo：设置连接主节点的信息。
  • recovery_target_timeline：设置为latest，以表明流复制同步到最新的数据。

• 启动从节点上的PostgreSQL服务。

3. 验证与测试：

• 在主节点上查看同步状态，可以使用ps命令查看walsender进程，以及通过pg_stat_replication视图查看更详细的信息。
• 在从节点上查看同步状态，可以使用ps命令查看walreceiver进程。
• 进行主备切换测试，以确保在主节点故障时，从节点能够顺利接管并提供服务。

五、流复制的优缺点

（一）、优点

1. 实时数据同步：

流复制可以实时地复制数据，确保数据的一致性和可靠性。

2. 高可用性：

通过流复制，可以建立一个主备架构，当主节点出现故障时，从节点可以立即接管，从而最小化数据丢失和停机时间。

3. 负载均衡：

流复制允许将读取操作分流到从节点，从而减轻主节点的负载，提高系统的整体性能。

4. 数据保护：

流复制可以将数据复制到多个从节点，实现数据冗余，保护数据免受意外丢失或损坏。

5. 可扩展性：

流复制可以轻松地扩展到多个从节点，以满足不断增长的数据和并发需求。

（二）、缺点

1. 性能开销：

流复制会对主节点和从节点的性能产生一定的影响，因为需要记录和读取WAL日志。特别是在高并发写入的场景下，性能开销可能会更加明显。

2. 网络延迟：

流复制依赖于网络连接来传输WAL日志，因此网络延迟可能会影响数据同步的实时性。在网络条件较差的环境下，数据同步可能会存在一定的延迟。

3. 数据不一致性风险：

在异步复制模式下，主节点提交事务后不需要等待从节点确认即可返回成功，这可能会导致在主节点故障时从节点上的数据不完全一致。虽然同步复制模式可以解决这个问题，但会牺牲一定的性能。

六、流复制与逻辑复制的比较

除了流复制之外，PostgreSQL还提供了逻辑复制（Logical Replication）作为另一种数据复制技术。逻辑复制和流复制在应用场景、实现原理等方面存在一定的差异。以下是两者的主要比较：

1. 复制级别：

• 流复制：是对实例级别的复制（整个PostgreSQL数据库）。它要求主备库的大版本一致。
• 逻辑复制：是基于表级别的复制。它更灵活，可以跨不同版本的PostgreSQL实例复制数据，甚至可以在不同的数据库系统之间复制数据。逻辑复制允许用户对特定的表或模式进行复制。

2. 实现原理：

• 流复制：基于WAL日志的复制。主节点将WAL日志实时传输给从节点，从节点接收并应用这些WAL日志以实现数据同步。
• 逻辑复制：基于SQL语句层面的复制。主节点将DML操作解析成标准SQL语句并发送给从节点，从节点接收并应用这些SQL语句以实现数据同步。

3. 性能：

• 流复制：通常性能较高，因为它直接复制底层的数据变更。
• 逻辑复制：性能相对较低，因为它需要解析和应用SQL语句。然而，逻辑复制在跨版本和跨数据库系统的复制场景中可能具有优势。

4. 灵活性：

• 流复制：灵活性较低，不支持表级别的选择性复制。
• 逻辑复制：灵活性较高，支持表级别的选择性复制和跨版本、跨数据库的复制。

5. 应用场景：

• 流复制：适用于需要高性能数据同步和高可用性的场景。
• 逻辑复制：适用于需要跨版本、跨数据库系统复制或表级别选择性复制的场景。

七、流复制的最佳实践

为了充分发挥流复制技术的优势并避免潜在的问题，以下是一些最佳实践建议：

1. 合理配置参数：

根据实际需求合理配置主节点和从节点的参数，如wal_level、max_wal_senders、wal_keep_size等。确保这些参数能够支持高效的流复制操作。

2. 监控与告警：

建立监控和告警机制，实时监控流复制的状态和性能。一旦发现异常情况，立即采取措施进行处理，以避免数据丢失或服务中断。

3. 定期备份与恢复测试：

定期对数据库进行备份，并进行恢复测试以确保备份数据的

七、总结

PostgreSQL流复制是一种实时数据同步技术，通过WAL日志在主节点和从节点间传输并应用数据变更，确保数据一致性和可靠性。它适用于高可用数据系统、数据同步、跨数据中心复制及读写分离等场景。配置流复制需调整主从节点的参数，创建复制用户，并初始化从节点数据。流复制具有实时同步、高可用、负载均衡等优点，但也存在性能开销、网络延迟及数据不一致性风险。与逻辑复制相比，流复制适用于高性能数据同步，而逻辑复制则更灵活，支持跨版本和数据库复制。为发挥流复制优势，应合理配置参数、建立监控告警机制，并定期备份与恢复测试。