面试题：如何用Python构建一个高效且可扩展的MongoDB数据备份与恢复系统？

Question

假设要为大型MongoDB集群构建一个数据备份与恢复系统，要求系统具备高效性、可扩展性，支持多种备份策略（如全量备份、增量备份），且能够处理故障恢复。请详细阐述系统设计思路，包括架构设计、所涉及的关键技术点，以及使用Python实现主要功能模块的核心代码框架。

Answer 1

架构设计

1. 备份协调器：负责管理备份任务，调度全量和增量备份，与各个节点通信。
2. 存储层：可以使用分布式文件系统（如Ceph）或对象存储（如MinIO）来存储备份数据，以实现可扩展性。
3. 监控与报警模块：实时监控备份任务状态，当出现故障时及时报警。
4. 恢复管理器：根据备份记录，协调数据恢复操作，确保数据一致性。

关键技术点

1. MongoDB oplog：用于增量备份，记录数据库操作日志。
2. 分布式存储：如前文提到的Ceph或MinIO，保证存储的可扩展性和高可用性。
3. 多线程/异步编程：提高备份和恢复效率，使用Python的asyncio或threading模块。
4. 故障检测与处理：通过心跳机制检测节点故障，利用重试机制和备份记录恢复任务。

Python实现主要功能模块的核心代码框架

备份协调器

import asyncio
import pymongo


class BackupCoordinator:
    def __init__(self, mongo_uri, storage_uri):
        self.mongo_uri = mongo_uri
        self.storage_uri = storage_uri
        self.client = pymongo.MongoClient(mongo_uri)

    async def full_backup(self):
        for db_name in self.client.list_database_names():
            db = self.client[db_name]
            for collection_name in db.list_collection_names():
                collection = db[collection_name]
                data = list(collection.find())
                # 这里将数据存储到存储层，假设使用MinIO，可替换为实际存储逻辑
                await self.store_data(db_name, collection_name, data)

    async def incremental_backup(self):
        oplog = self.client.local.oplog.rs
        last_oplog_entry = oplog.find().sort('$natural', -1).limit(1)
        # 基于last_oplog_entry进行增量备份逻辑
        for entry in oplog.find({'ts': {'$gt': last_oplog_entry['ts']}}):
            # 处理增量数据并存储
            await self.handle_incremental(entry)

    async def store_data(self, db_name, collection_name, data):
        # 实际存储逻辑，如使用MinIO客户端API
        pass

    async def handle_incremental(self, entry):
        # 处理增量数据逻辑
        pass

恢复管理器

import pymongo


class RecoveryManager:
    def __init__(self, mongo_uri, storage_uri):
        self.mongo_uri = mongo_uri
        self.storage_uri = storage_uri
        self.client = pymongo.MongoClient(mongo_uri)

    def restore_full_backup(self):
        # 从存储层读取全量备份数据并恢复到MongoDB
        pass

    def restore_incremental_backup(self):
        # 从存储层读取增量备份数据并恢复到MongoDB
        pass