面试题：MongoDB中副本集与分片集群结合使用时如何保证数据一致性

Question

在MongoDB环境下，当副本集与分片集群结合使用时，阐述一下数据一致性是通过哪些机制来保证的？请分别从副本集内部数据同步和分片集群之间数据交互两个方面进行说明。

Answer 1

副本集内部数据同步保证数据一致性机制

1. 日志复制（Journaling）
   • MongoDB使用预写式日志（Write - Ahead Logging，WAL），也就是日志复制。每次写操作都会先写入到日志文件（journal）中，这样即使发生崩溃，也能通过重放日志恢复到崩溃前的状态。在副本集中，主节点（Primary）写入日志后，会将日志同步到从节点（Secondary），从节点通过应用日志来保持与主节点的数据一致性。
2. 心跳检测与选举机制
   • 副本集成员之间通过心跳（Heartbeat）机制保持通信。主节点定期向从节点发送心跳消息，从节点也会向主节点和其他从节点发送心跳。如果主节点在一定时间内没有收到某个从节点的心跳，会将其标记为不可用。当主节点出现故障时，从节点会发起选举，选出新的主节点。这个选举机制保证了副本集能够快速恢复并继续提供服务，在选举过程中，会优先选择数据最完整、最同步的节点作为新主节点，从而维持数据一致性。
3. 同步复制（Replication）
   • 主节点将写操作记录（oplog）同步到从节点。从节点会按照oplog中的记录顺序应用这些操作，以保证与主节点数据的一致性。MongoDB支持不同级别的同步复制，例如，使用w参数可以指定写操作需要等待多少个节点确认才返回成功。w = majority表示写操作需要等待大多数节点（超过副本集成员一半数量）确认后才返回成功，这确保了数据在大多数节点上的一致性。

分片集群之间数据交互保证数据一致性机制

1. 配置服务器（Config Server）
   • 分片集群中的配置服务器保存了整个集群的元数据，包括分片信息、块（chunk）的分布等。每个分片都与配置服务器保持通信，以获取最新的元数据。当数据发生移动（例如，块的迁移）时，配置服务器会协调各个分片之间的操作，确保所有分片都能更新到正确的元数据，从而保证数据一致性。
2. 块迁移与平衡
   • MongoDB的自动平衡机制会定期检查各个分片上的数据负载情况。如果发现某个分片的数据量或负载过高，会将部分数据块迁移到负载较低的分片上。在块迁移过程中，源分片会将数据块的最新状态同步到目标分片。这个过程中，配置服务器会记录块的迁移状态，确保所有分片在块迁移完成后，对数据块的位置和状态有一致的认知，从而保证了整个分片集群的数据一致性。
3. 分布式事务（从4.0版本开始支持）
   • 在分片集群中，MongoDB 4.0及以上版本引入了多文档事务支持。对于涉及多个分片的事务，MongoDB通过两阶段提交（2PC）协议来保证事务的原子性和一致性。在事务开始时，协调者（通常是应用程序连接的mongos实例）会向各个参与事务的分片发送准备（Prepare）消息。每个分片执行事务操作并将结果反馈给协调者。如果所有分片都准备成功，协调者会发送提交（Commit）消息；如果有任何一个分片准备失败，协调者会发送回滚（Rollback）消息。通过这种方式，确保了跨分片事务的数据一致性。