第十六章 多主复制与读写分离

第一节 使用 BDR（Bi-Directional Replication）

目标：了解多主复制的概念及其解决的业务问题，并介绍 PostgreSQL 生态中最成熟的多主复制解决方案——BDR (Bi-Directional Replication)。

在标准的读写分离架构中，我们有一个主节点（Primary）处理所有写操作，以及多个只读副本（Replicas）处理读操作。这种架构极大地提升了读性能，但写操作的压力仍然集中在单个主节点上，并且如果主节点宕机，需要一定时间进行故障转移，期间写服务会中断。

多主复制（Multi-Master Replication）则允许集群中的多个节点都接受写操作。在一个节点上发生的写入，会自动地、异步地复制到其他所有节点。

多主复制的优势和挑战

优势：

  1. 写可用性（Write Availability）：任何一个节点宕机，其他节点仍然可以接受写请求，实现了写操作的高可用。
  2. 地理分布（Geo-Distribution）：可以在全球不同地理位置部署节点，用户可以连接到最近的节点进行读写，极大地降低了网络延迟。
  3. 写入扩展（Write Scalability）：理论上可以将写负载分散到多个节点上。

核心挑战：冲突解决（Conflict Resolution） 由于写入可以在任何节点上发生，就不可避免地会出现写冲突。例如，在纽约的节点上，用户 A 将一行数据的 status 改为 'completed'，几乎在同一时间，在伦敦的节点上，用户 B 将同一行数据的 status 改为 'cancelled'。当这两个变更相遇时，系统必须决定哪个变更是最终有效的。这就是多主复制最核心、最复杂的难题。

BDR (Bi-Directional Replication) 简介

BDR 是由 2ndQuadrant（现在是 EDB 的一部分）开发的、针对 PostgreSQL 的最成熟、功能最丰富的多主复制解决方案。它是一个商业产品，但也提供了部分开源组件。

BDR 通过异步的逻辑复制来实现，并提供了一套复杂的机制来自动或手动地解决写冲突。

BDR 的关键特性：

  • AlwaysOn 高可用：提供超过 99.999% 的可用性，任何节点故障都不会导致服务中断。
  • 地理分布性能：支持在全球范围内部署节点，并提供地理感知的连接路由。
  • 灵活的冲突解决：内置了“最后更新者获胜”（Last Update Wins）等自动冲突解决方法，并允许用户自定义复杂的解决逻辑。
  • 滚动升级：可以在不中断服务的情况下，对集群进行 PostgreSQL 版本或操作系统版本的滚动升级。

BDR 的工作原理

BDR 基于 PostgreSQL 内置的**逻辑解码（Logical Decoding）**功能。

  1. 当一个写事务在某个节点上提交时，其变更（INSERT, UPDATE, DELETE）会被 BDR 捕获。
  2. BDR 将这些变更转换成一种逻辑表示，并通过网络发送给集群中的其他节点。
  3. 其他节点接收到这些变更后，将其重新应用（Replay）到自己的数据库中。
  4. 如果在应用变更时检测到冲突（例如，要 UPDATE 的行已经被本地修改过），BDR 的冲突解决机制就会被触发。

冲突检测与 CRDTs BDR 的一个高级特性是支持 CRDTs (Conflict-Free Replicated Data Types)。这是一种特殊的数据类型（如 crdt_counter），它在数学上保证了即使在并发写入的情况下，最终所有节点的状态也总能收敛到一致，从而“无冲突”地解决了冲突。

BDR 的适用场景

BDR 并非万能药，它适用于对写可用性和地理分布有极致要求的特定场景。

典型场景：全球分布的 SaaS 应用

  • 一个 SaaS 应用在全球（如北美、欧洲、亚洲）都有大量用户。
  • 在每个大区部署一个或多个 BDR 节点。
  • 用户会被自动路由到延迟最低的本地节点进行读写操作。
  • 一个大区的服务中断（如网络故障、机房断电）完全不影响其他大区的用户。

不适用的场景：

  • 通用写入扩展：如果你的应用只是需要扩展写入吞吐量，但大部分业务逻辑都集中在一个数据中心，那么像 Citus 这样的分片方案通常是更好、更简单的选择。BDR 的冲突处理开销和复杂性，使得它不适合作为纯粹的写入性能扩展工具。

📌 小结

  • 多主复制通过允许在多个节点上进行写操作，解决了单主架构的写可用性和地理延迟问题。
  • 其核心挑战在于写冲突的检测与解决。
  • BDR 是 PostgreSQL 生态中最强大的多主复制解决方案，它提供了 AlwaysOn 可用性、灵活的冲突解决机制和滚动升级等企业级特性。
  • BDR 主要适用于对可用性要求极高、需要进行全球地理分布部署的关键业务系统。对于通用的扩展需求，分片方案（Citus）通常更合适。

在下一节，我们将对比 BDR 所使用的逻辑复制与 PostgreSQL 内置的物理复制，以更深入地理解它们之间的差异。