面试题：MongoDB副本集初始化后的数据一致性保障机制

Question

当MongoDB副本集初始化完成，在后续数据读写过程中，是通过哪些机制来保障数据一致性的？详细说明这些机制的工作原理。

Answer 1

数据同步机制

1. ** oplog （操作日志）**
   • 原理：主节点（Primary）执行写操作时，会将这些写操作记录到 oplog 中。oplog 是一个固定大小的集合，以时间顺序记录所有影响数据集的操作。从节点（Secondary）会定期轮询主节点的 oplog，获取新的操作记录，并在本地应用这些操作，从而保持与主节点的数据同步。例如，主节点插入一条新文档，该插入操作会记录到 oplog 中，从节点获取到这个 oplog 记录后，在本地执行相同的插入操作。
2. 心跳机制
   • 原理：副本集中的节点之间通过心跳消息（每 2 秒发送一次）来保持联系。主节点通过心跳消息向从节点发送自身状态以及 oplog 的位置信息等。从节点通过心跳消息向主节点汇报自己的状态。如果主节点在一定时间（默认10秒）内没有收到某个从节点的心跳，会认为该从节点不可用，并采取相应措施（如重新选举等）。这确保了数据同步链路的稳定，若从节点故障能及时被发现和处理，保障数据同步的连续性。

选举机制

1. 选举过程
   • 原理：当主节点发生故障时，副本集需要选举出一个新的主节点以保证数据的正常写入。选举基于节点的优先级（通过 priority 配置，范围 0 - 1000，默认 1）和日志时间戳等因素。具有最高优先级且数据最“新”（日志时间戳最新）的节点有更大机会被选举为主节点。例如，有三个节点 A、B、C，A 优先级为 5，B 优先级为 3，C 优先级为 1 ，如果 A 节点故障，在满足选举条件下，B 节点更有可能被选举为新的主节点。在选举过程中，节点之间通过投票来确定新主节点，每个节点都有一票，需要超过半数节点投票才能当选。
2. 仲裁节点
   • 原理：仲裁节点（Arbiter）不存储数据，仅参与选举投票。它的作用是帮助决定选举结果，特别是在副本集节点数量为偶数时。例如，有两个数据节点 A 和 B，引入仲裁节点 C 后，在选举时，若 A 和 B 都希望成为主节点，仲裁节点 C 的投票就起到关键作用，确保能选举出唯一的主节点，避免出现脑裂问题，保证数据写入的一致性。

读操作一致性机制

1. 读偏好（Read Preference）
   • 原理：客户端可以通过设置读偏好来决定从哪个节点读取数据。例如，primary 读偏好表示从主节点读取数据，能保证读取到最新的数据，但可能会对主节点造成较大负载；secondaryPreferred 表示优先从从节点读取数据，若从节点不可用则从主节点读取，这样可以分担主节点负载，但可能读取到的数据不是最新的（因为从节点同步有一定延迟）。通过合理设置读偏好，在保证业务对数据一致性要求的同时，平衡系统的读写性能。
2. 因果一致性（Causal Consistency）
   • 原理：MongoDB 4.0 引入了因果一致性读。当客户端在主节点执行了一系列写操作后，后续从从节点读取数据时，MongoDB 保证从节点能按照与主节点相同的因果顺序返回数据。例如，客户端先在主节点插入文档 A，再更新文档 A ，因果一致性保证从从节点读取时，能先读取到插入的文档 A ，再读取到更新后的文档 A ，而不会出现先读取到更新后的文档 A 却还未读取到插入的文档 A 的情况，从而保障了数据在读写顺序上的一致性。