选举机制与故障转移

作者：陈川阅读数：1157人阅读分类： MongoDB

MongoDB的选举机制与故障转移是其高可用性的核心组成部分，通过副本集（Replica Set）实现自动故障检测与主节点切换。副本集中的节点通过心跳检测与选举协议确保数据一致性与服务连续性，当主节点不可用时，剩余节点会触发选举流程选出新的主节点。这一机制不仅保障了系统的容错能力，还支持读写分离与数据冗余。

副本集的基本结构

一个MongoDB副本集通常包含以下角色：

Primary（主节点）：负责所有写操作，并将数据变更同步到从节点。
Secondary（从节点）：复制主节点数据，可提供读请求（需配置）。
Arbiter（仲裁节点）：不存储数据，仅参与选举投票。

例如，一个三节点副本集的配置可能如下：

// 初始化副本集配置
rs.initiate({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "mongo1:27017", priority: 2 },
    { _id: 1, host: "mongo2:27017", priority: 1 },
    { _id: 2, host: "mongo3:27017", arbiterOnly: true }
  ]
});

其中priority值高的节点更易成为主节点，仲裁节点通过arbiterOnly标记。

选举触发条件

选举在以下场景中自动触发：

主节点宕机或网络分区。
手动执行rs.stepDown()降级主节点。
副本集初始化或配置变更（如节点优先级调整）。

示例：模拟主节点宕机

# 连接到主节点执行强制停机
use admin;
db.shutdownServer();

选举流程详解

1. 心跳检测失效

每个节点每2秒向其他节点发送心跳包。若从节点10秒未收到主节点响应，会发起选举。

2. 候选节点资格检查

参与选举的节点需满足：

与多数节点保持连接。
数据同步最新（optime最高）。
优先级非零。

3. 投票与多数决

副本集采用Raft协议变种，节点通过votes属性分配投票权。选举成功需获得多数票（如3节点中至少2票）。

投票权重示例：

// 查看节点投票权重
rs.status().members.forEach(member => {
  console.log(`Node ${member._id}: Votes = ${member.votes}`);
});

故障转移的典型场景

场景1：主节点物理故障

剩余节点检测到主节点失联。
优先级最高的从节点发起选举。
新主节点接管写请求，应用层可能短暂报错（需重试机制）。

前端重试逻辑示例：

async function writeWithRetry(operation, maxRetries = 3) {
  let attempts = 0;
  while (attempts < maxRetries) {
    try {
      return await operation();
    } catch (err) {
      if (err.code === 10107) { // NotMaster错误码
        attempts++;
        await new Promise(resolve => setTimeout(resolve, 1000));
      } else throw err;
    }
  }
  throw new Error("Max retries reached");
}

场景2：数据中心网络分区

分区两侧可能各自选举出新主节点（脑裂）。
MongoDB通过"多数原则"避免此问题：只有获得多数投票的节点能成为主节点。
旧主节点检测到无法联系多数节点时会自动降级。

配置优化实践

调整选举超时

修改electionTimeoutMillis（默认10秒）可平衡故障检测速度与误判概率：

# mongod.conf
replication:
  electionTimeoutMillis: 5000

隐藏节点与延迟节点

隐藏节点：不参与选举，用于专用备份。

rs.reconfig({
  _id: "rs0",
  members: [
    { _id: 0, host: "mongo1:27017", priority: 2 },
    { _id: 1, host: "mongo2:27017", priority: 1, hidden: true }
  ]
});

延迟节点：故意滞后同步，用于数据回滚。

{ _id: 2, host: "mongo3:27017", priority: 0, slaveDelay: 3600 }

监控与诊断

关键指标监控：

复制滞后：rs.status().members[n].lag
选举次数：db.serverStatus().repl.electionMetrics
节点状态：rs.isMaster()

诊断命令示例：

# 查看选举历史
db.adminCommand({ replSetGetStatus: 1 }).electionCandidateMetrics

# 强制重新配置（谨慎使用）
rs.reconfig(newCfg, { force: true })

客户端连接处理

驱动需配置多个节点地址以实现自动故障转移：

// Node.js驱动连接字符串
const uri = "mongodb://mongo1:27017,mongo2:27017,mongo3:27017/?replicaSet=rs0";
const client = new MongoClient(uri, {
  retryWrites: true,
  retryReads: true,
  serverSelectionTimeoutMS: 5000
});