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在MongoDB Scondary同步慢问题分析文中介绍了因Primary上写入qps过大，导致Secondary节点的同步无法追上的问题，本文再分享一个case，因oplog的写入被放大，导致同步追不上的问题。
MongoDB用于同步的oplog具有一个重要的『幂等』特性，也就是说，一条oplog在备上重放多次，得到的结果跟重放一次结果是一样的，这个特性简化了同步的实现，Secondary不需要有专门的逻辑去保证一条oplog在备上『必须仅能重放』一次。
为了保证幂等性，记录oplog时，通常需要对写入的请求做一下转换，举个例子，某文档x字段当前值为100，用户向Primary发送一条{$inc: {x: 1}}，记录oplog时会转化为一条{$set: {x: 101}的操作，才能保证幂等性。
幂等性的代价
简单元素的操作，$inc 转化为 $set并没有什么影响，执行开销上也差不多，但当遇到数组元素操作时，情况就不一样了。
当前文档内容
mongo-9551:PRIMARY> db.coll.find()
{ "_id" : 1, "x" : [ 1, 2, 3 ] }
在数组尾部push 2个元素，查看oplog发现$push操作被转换为了$set操作（设置数组指定位置的元素为某个值）。
mongo-9551:PRIMARY> db.coll.update({_id: 1}, {$push: {x: { $each: [4, 5] }}})
WriteResult({ "nMatched" : 1, "nUpserted" : 0, "nModified" : 1 })
mongo-9551:PRIMARY> db.coll.find()
{ "_id" : 1, "x" : [ 1, 2, 3, 4, 5 ] }
mongo-9551:PRIMARY> use local
switched to db local
mongo-9551:PRIMARY> db.oplog.rs.find().sort({$natural: -1}).limit(1)
{ "ts" : Timestamp(1464081601, 1), "h" : NumberLong("7793405363406192063"), "v" : 2, "op" : "u", "ns" : "test.coll", "o2" : { "_id" : 1 }, "o" : { "$set" : { "x.3" : 4, "x.4" : 5 } } }
$push转换为带具体位置的$set开销上也差不多，但接下来再看看往数组的头部添加2个元素
mongo-9551:PRIMARY> db.coll.update({_id: 1}, {$push: {x: { $each: [6, 7], $position: 0 }}})
WriteResult({ "nMatched" : 1, "nUpserted" : 0, "nModified" : 1 })
mongo-9551:PRIMARY> db.coll.find()
{ "_id" : 1, "x" : [ 6, 7, 1, 2, 3, 4, 5 ] }
mongo-9551:PRIMARY> use local
switched to db local
mongo-9551:PRIMARY> db.oplog.rs.find().sort({$natural: -1}).limit(1)
{ "ts" : Timestamp(1464082056, 1), "h" : NumberLong("6563273714951530720"), "v" : 2, "op" : "u", "ns" : "test.coll", "o2" : { "_id" : 1 }, "o" : { "$set" : { "x" : [ 6, 7, 1, 2, 3, 4, 5 ] } } }
可以发现，当向数组的头部添加元素时，oplog里的$set操作不再是设置数组某个位置的值（因为基本所有的元素位置都调整了），而是$set数组最终的结果，即整个数组的内容都要写入oplog。当push操作指定了$slice或者$sort参数时，oplog的记录方式也是一样的，会将整个数组的内容作为$set的参数。
$pull, $addToSet等更新操作符也是类似，更新数组后，oplog里会转换成$set数组的最终内容，才能保证幂等性。
案例分析
当数组非常大时，对数组的一个小更新，可能就需要把整个数组的内容记录到oplog里，我们遇到一个实际的生产环境案例，用户的文档内包含一个很大的数组字段，1000个元素总大小在64KB左右，这个数组里的元素按时间反序存储，新插入的元素会放到数组的最前面($position: 0)，然后保留数组的前1000个元素（$slice: 1000）。
上述场景导致，Primary上的每次往数组里插入一个新元素(请求大概几百字节)，oplog里就要记录整个数组的内容，Secondary同步时会拉取oplog并重放，『Primary到Secondary同步oplog』的流量是『客户端到Primary网络流量』的上百倍，导致主备间网卡流量跑满，而且由于oplog的量太大，旧的内容很快被删除掉，最终导致Secondary追不上，转换为RECOVERING状态。
MongoDB对json的操作支持很强大，尤其是对数组的支持，但在文档里使用数组时，一定得注意上述问题，避免数组的更新导致同步开销被无限放大的问题。使用数组时，尽量注意
- 数组的元素个数不要太多，总的大小也不要太大
- 尽量避免对数组进行更新操作
- 如果一定要更新，尽量只在尾部插入元素，复杂的逻辑可以考虑在业务层面上来支持
比如上述场景，有如下的改进思路
- 将数组的内容放到单独的集合存储，将数组的操作转化为对集合的操作（capped collection能很好的支持$slice的功能）
- 如果一定要用数组，插入数组元素时，直接放到尾部，让记录就是按时间戳升序存储，在使用时反向遍历({$natural: -1})取最新的元素。保持最近1000条的功能，则可在业务逻辑里实现掉，比如增加后台任务来检测，当数组元素超过某个阈值如2000时，就将数组截断到1000条。
再说同步
在MongoDB Scondary同步慢问题分析我介绍了通过修改Secondary上重放oplog的线程数来提升备的同步能力的方法。但其实对于MongoDB的同步，并没有一种配置，能完美的解决所有同步场景，Primary上的workload不同，主备间同步的状况也会不同。
为了尽量避免出现Secondary追不上的场景，需要注意以下几点
- 保证Primary节点有充足的服务能力，如果用户的请求就能把Primary的资源跑得很满，那么势必会影响到主备同步。
- 合理配置oplog的大小，可以结合写入的情况，预估下oplog的大小，比如oplog能存储一天的写入量，这样即使备同步慢、故障、或者临时下线维护等，只要不超过1天，恢复后还是有希望继续同步的。
- 尽量避免复杂的数组更新操作，尽量避免慢更新（比如更新的查询条件需要遍历整个集合）
参考资料
作者简介
张友东，阿里巴巴技术专家，主要关注分布式存储、Nosql数据库等技术领域，先后参与TFS（淘宝分布式文件系统)、Redis云数据库等项目，目前主要从事MongoDB云数据库的研发工作，致力于让开发者用上最好的MongoDB云服务。
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