面试题：MongoDB集群数据追踪的一致性保障

Question

MongoDB集群数据追踪机制如何确保数据的一致性？请详细阐述涉及到的同步策略、选举机制以及数据版本控制等方面的原理和实现方式。

Answer 1

同步策略

1. 主从复制：
   • 在MongoDB副本集中，存在一个主节点（Primary）和多个从节点（Secondary）。主节点负责处理所有的写操作，当写操作发生时，主节点会将写操作记录到自己的 oplog（操作日志）中。
   • 从节点会定期轮询主节点的 oplog，获取新的操作记录，并在自己的数据集上重放这些操作，从而保持与主节点的数据同步。这种方式确保了副本集中各个节点的数据一致性。
2. 多数写确认：
   • MongoDB支持写操作的多数确认机制。当客户端向主节点发起写操作时，主节点在将操作记录到 oplog 后，会等待大多数（超过一半）的从节点确认接收到该操作记录并成功应用到自己的数据集中，才会向客户端返回写操作成功的响应。
   • 例如，在一个包含5个节点的副本集中，至少需要3个节点确认写操作成功，主节点才会告知客户端写成功。这确保了即使主节点发生故障，新选举出的主节点也能拥有最新的数据。

选举机制

1. 选举触发条件：
   • 当主节点检测到自己与大多数节点失去连接，或者从节点检测到与主节点失去连接并持续一定时间时，会触发选举。例如，网络分区导致主节点与多数从节点隔离，或者主节点硬件故障等情况。
2. 选举过程：
   • 副本集中每个节点都有一个优先级（priority），优先级范围是0 - 1000，默认值为1。优先级最高且数据最新的节点有更大机会成为主节点。
   • 节点之间通过心跳机制保持联系，心跳间隔默认是2秒。当需要选举时，节点之间会通过投票来决定新的主节点。每个节点都可以投自己一票，要成为主节点，必须获得大多数节点的投票。
   • 选举过程中，节点会交换自己的状态信息，包括数据的时间戳、oplog的位置等，以确定哪个节点的数据是最新且最适合成为主节点。

数据版本控制

1. 时间戳与oplog：
   • MongoDB使用时间戳来标记oplog中的每一个操作记录。每次写操作在主节点生成一个唯一的时间戳，这个时间戳记录在oplog中。从节点在重放oplog时，按照时间戳的顺序依次应用操作。
   • 时间戳保证了操作的顺序性，从而确保数据版本的一致性。即使在多个写操作并发的情况下，通过时间戳可以确定操作的先后顺序，使得从节点能够正确地重放操作，维护与主节点一致的数据版本。
2. 数据版本号：
   • MongoDB在内部为每个文档维护了一个版本号。当文档发生修改时，版本号会递增。这个版本号有助于在并发操作时检测数据冲突。
   • 例如，在使用乐观锁机制进行更新操作时，客户端在读取文档时获取文档的版本号，在执行更新操作时，将当前版本号作为条件传递给服务器。如果服务器上文档的版本号与客户端传递的版本号一致，则执行更新并递增版本号；如果不一致，则说明在客户端读取文档后，文档被其他操作修改过，更新操作失败，客户端需要重新读取文档并进行操作。