MongoDB选主机制原理

MongoDB 副本集（Replica Set）的主节点（Primary）故障后，选主过程依赖于副本集内部的自动故障转移（Automatic Failover） 机制，核心是通过节点间的心跳检测、投票共识和数据一致性校验，选举出新的主节点。以下是详细的实现逻辑：

一、选主的前提条件

选主能成功触发并完成，需满足两个核心条件：

1. 多数节点可用：副本集中必须有大多数（Majority） 节点处于正常通信状态（包括从节点、仲裁节点，但故障的主节点除外）。

   • “大多数”的计算：总节点数为 N 时，多数为 N//2 + 1（例如 3 节点需 2 个可用，5 节点需 3 个可用）。
   • 若可用节点不足多数，副本集进入只读模式，不触发选主。

2. 存在合格的候选节点：从节点（Secondary）需满足：

   • 数据同步足够新（oplog 与原主节点的差距在可接受范围内，默认不超过 10 秒）；
   • 节点状态正常（非 DOWN 或 RECOVERING）；
   • 优先级（priority）不为 0（优先级为 0 的节点不能成为主节点，仅作为从节点）。

二、选主的触发机制

主节点故障后，选主的触发由心跳检测机制驱动：

• 副本集中所有节点每 2 秒向其他节点发送心跳（heartbeat）消息，包含自身的状态（主/从/仲裁）、数据同步进度（oplog 时间戳）等信息。
• 当从节点或仲裁节点连续 10 秒（默认超时时间）未收到主节点的心跳时，会判定主节点“不可达”，并触发选主流程。

三、选主的核心流程

选主过程是一个投票选举的过程，由符合条件的从节点发起，最终获得多数选票的节点成为新主节点。具体步骤如下：

1. 发起选举请求
   判定主节点不可达后，符合条件的从节点（候选节点）会向其他所有可用节点发送选举请求（election request），请求其他节点为自己投票。

2. 节点投票规则
   收到选举请求的节点（包括其他从节点、仲裁节点）会根据以下规则决定是否投票：

   • 每个节点在一次选举中只能投 1 票；
   • 优先给数据更新的候选节点投票（通过对比 oplog 时间戳，确保新主节点的数据尽可能接近原主节点，减少数据丢失风险）；
   • 若候选节点的优先级（priority）更高，会被优先选择（优先级可手动配置，范围 0-100，默认 1）；
   • 若候选节点数据落后太多（oplog 差距超过阈值），或状态异常，会被拒绝投票。

3. 确定新主节点
   当某个候选节点获得大多数可用节点的选票（与“多数节点可用”的计算逻辑一致），则成为新的主节点。

   • 例如 3 节点副本集（1 主 + 1 从 + 1 仲裁），主节点故障后，从节点向仲裁节点发起投票，若仲裁节点同意，从节点获得 2 票（自身 + 仲裁），满足多数（2），成为新主。

4. 副本集状态更新
   新主节点生成新的 term（任期，类似 Raft 算法的任期概念，用于标识选举轮次，防止过期节点干扰），并向所有节点广播自己成为主节点的消息。其他从节点切换为同步新主节点的数据，副本集恢复正常读写（新主节点处理写操作，从节点处理读操作）。

四、影响选主的关键因素

1. 优先级（priority）

   • 优先级是手动配置的权重（rs.conf().members[i].priority），值越高的节点越容易被选为新主。
   • 例如 3 节点副本集，若节点 A 优先级为 3，节点 B 优先级为 1，当主节点故障时，A 会被优先选举（只要数据同步合格）。

2. 数据同步进度

   • 若候选节点的 oplog 时间戳远落后于其他候选节点（例如因网络延迟导致数据同步滞后），即使优先级高，也可能因“数据过时”被其他节点拒绝投票。
   • 极端情况下，若所有从节点数据都落后太多，可能导致选主失败（需等待数据同步完成后重新触发选举）。

3. 仲裁节点（Arbiter）

   • 仲裁节点不存储数据，仅参与投票，用于在节点数为偶数时帮助达成“多数”（例如 2 节点 + 1 仲裁 = 3 节点，主节点故障后，从节点 + 仲裁节点可构成多数）。
   • 仲裁节点的投票逻辑与从节点一致（优先数据更新、优先级高的候选节点）。

五、特殊场景处理

1. 主节点假死（网络分区）
   若主节点因网络分区暂时与其他节点隔离（实际未故障），其他节点会触发选主并产生新主。当网络恢复后，原主节点会发现新主存在，自动降级为从节点，并同步新主的数据（避免双主冲突）。

2. 无合格候选节点
   若所有从节点数据均落后太多（或优先级为 0），则选主失败，副本集进入只读模式，直到有从节点同步完成后重新触发选举。

3. 选举超时
   若多次选举未产生多数票（例如节点间通信不稳定），副本集会间隔一段时间（默认 2 秒）重试选举，直到成功或可用节点不足多数。

总结

MongoDB 副本集的选主机制是通过心跳检测发现主节点故障，基于多数节点共识和数据一致性优先的原则，通过投票选举出数据最新、优先级合适的从节点作为新主节点，确保副本集在主节点故障后能自动恢复可用性，核心目标是最小化数据丢失和快速恢复服务。