副本集（Replica Set）是一组MongoDB实例组成的集群，由一个主（Primary）服务器和多个备份（Secondary）服务器构成。通过Replication，将数据的更新由Primary推送到其他实例上，在一定的延迟之后，每个MongoDB实例维护相同的数据集副本。通过维护冗余的数据库副本，能够实现数据的异地备份，读写分离和自动故障转移。
一，MongoDB版本和环境
在Windows上创建包含三个节点的副本集，使用的环境：
- 数据库：MongoDB 版本 3.2.9
- Server 环境：Windows Server 2012 R2
- 可视化编程环境：Robomongo 版本 0.08.4
- 三台Windows Server：srv1，srv2，srv3
二，拓扑结构分析
创建一个Replica Set，包含三个成员：一个Primary 成员和两个Secondary 成员，Primary用于处理客户端请求，Secondary用于保存Primary的数据副本。客户端Application 在 Primary 节点上进行读写操作，通过Replication的异步同步机制，将数据操作同步到 Secondary 成员，在一定的延迟之后，三个成员拥有相同的数据集。
理论上，每个成员可以分布在不同的数据中心机房内，这些数据中心可能相距甚远，实现数据的异地备份；可以设置Primary 节点只负责写入操作，而使Secondary节点负责读取操作，实现数据集的读写分离；如果Primary 连接中断超过10s，其他节点会自动选举出一个Primary 节点，负责响应客户端Application的请求，实现数据的自动故障转移。
三，技术原理说明
1，以Replica Set模式启动MongoDB实例
MongoDB Instance有两种不同的启动方式：单机模式（Standalone）和副本集模式（Replica Set），在启动mongod时，如果设置 replSet 参数，那么MongoDB 实例以副本集模式启动；如果不设置replSet 参数，那么MongoDB以单机模式启动。
单机实例是指运行在服务器上的一个mongod 进程，该进程不是任何一个Replica Set的成员，因此，单机实例不能自动故障转移，在产品环境中，风险很高，如果服务器崩溃了，客户端App至少在一段时间内不可访问，如果硬件出现问题，可能会造成数据的永久丢失。建议，使用Replica Set，至少保留两份数据集副本。
2，选举Primary成员
在Replica Set中有两种成员：Primary成员和Secondary成员，一个Replica Set只能有一个Primary成员，但可以有多个Secondary成员。Primary用于处理客户端请求，Secondary用于保存Primary的数据副本。如果Primary崩溃了，Replica Set探测到Primary不可访问，将启动自动故障转移进程，从剩下的Secondary成员中，投票选举出一个成员作为Primary，接收和处理客户端的请求。
选举Primary成员时，使用“大多数”和“一票否决”原则。在Replica Set中，每个成员只能要求自己被选举为Primary节点。当一个Secondary成员无法与Primary成员连通时，该成员就会发起选举，请求其他成员将自己选举为Primary成员，只有得到“大多数”成员的支持，该成员才能被选举为Primary成员；只要有一个成员否决，选举就会取消。
不是每一个成员都有投票选举的权利，在一个Replica Set中，最多有7个成员用于投票选举的权利，Primary成员是由这7个成员选举出来的。有投票权利的成员，其属性："votes" 是1；若为0，表示该成员没有投票权利。
3，操作日志
MongoDB使用操作日志（oplog）来实现复制（Replication）功能，oplog包含了Primary成员的每一个更新操作，通过将oplog传递到其他Secondary成员中，在其他成员中重做（redo）已经提交的操作，实现数据的异步同步。Replica Set中的每个成员都维护着自己的oplog，记录着每一个从Primary成员复制操作的数据。复制操作的过程是先复制数据，再将操作写入到oplog中。如果某一个成员在执行操作时失败，当该成员重启之后，自动从oplog中最后一个操作进行同步。由于复制操作的过程是先复制数据，再写入oplog，该成员可能会在已经同步的数据上再次执行复制操作，MongoDB在设计oplog时，就考虑到这种情况：将oplog中的同一个操作执行多次，与执行一次的结果是一样的。
oplog保存的是对每个doc的更新操作日志，如果一个命令只更新一个doc，那么Replication进程向oplog插入一条日志；如果一个命令更新多个doc，那么Replication进程向oplog插入多条日志，每一条日志只更新一个doc。
oplog的大小是固定的，只能保存特定数量的操作日志，如果Primary成员更新的数据量特别大，oplog很快就被填满，Secondary来不及同步数据，Primary成员就将oplog中的日志，这样，Secondary成员就会变成陈旧的（Stale）。建议，让Primary成员使用比较大的oplog，保存足够多的操作日志。
四，创建配置文档
1，创建mongod 启动的配置文件
在每台server上创建配置文件，将配置文件存放在目录C:\data\中。在同一个Replica Set中的所有成员必须有相同的Replica Set Name，这里设置为“rs0”。
--srv1 config_file_name:rs0_1.conf
dbpath=C:\data\db\db_rs0
logpath=C:\data\db\db_rs0\rs0_1.log
port=40001
replSet=rs0 --srv2 config_file_name:rs0_2.conf
dbpath=C:\data\db\db_rs0
logpath=C:\data\db\db_rs0\rs0_2.log
port=40002
replSet=rs0 --srv3 config_file_name:rs0_3.conf
dbpath=C:\data\db\db_rs0
logpath=C:\data\db\db_rs0\rs0_3.log
port=40003
replSet=rs0
配置参数含义：
- replSet：设置Replica Set的name，在各个配置文件中，其值必须相同。
- dbpath：MongoDB用于存储数据的目录，默认值是C:\data\db
- logpath：用于记录mongod的日志数据
- port：指定MongoDB监听的端口，默认值是27017
2，以配置文件方式启动mongod
一般情况下，mongod的参数值是不变的，将这些参数写入到配置文件中，能够简化MongoDB的管理。
mongod 命令有参数：--config 或 -f，用于引用配置文件。
--srv1
mongod -f C:\data\rs0_1.conf --srv2
mongod -f C:\data\rs0_2.conf --srv3
mongod -f C:\data\rs0_3.conf
3，启动mongo shell
在任意一台Server上打开三个mongo shell，使用参数 --host 指定Server Name，使用 --port 指定端口号。由于mongod没有使用默认的监听端口 27017，因此，必须使用 在mongo shell中使用 --port参数显式指定监听的Port。
--connect srv1
mongo --host srv1 --port 40001 --connect srv2
mongo --host srv2 --port 40002 --connect srv3
mongo --host srv3 --port 40003
五，配置Replica Set
在不同的Server上运行不同的MongoDB Instance，但是，每个mongod 都不知道其他mongod的存在，为了让每个mongod能够感知彼此的存在，需要配置Replica set，增加成员。
1，使用配置文档为Replica Set 增加成员
在srv1的mongo shell中，创建配置文档，调用rs.initiate()函数，按照配置文档来初始化Replica Set。
conf=
{
"_id" : "rs0",
"members" : [
{ "_id" : 0, "host" : "srv1:40001" },
{ "_id" : 1, "host" : "srv2:40002" },
{ "_id" : 2, "host" : "srv3:40003" }
]
} rs.initiate(conf)
在配置doc中，使用"_id" : "rs0" 指定Replica Set的name，members数组指定 Replica Set的成员的ID 和 host（“host：port”）。等到所有成员配置完成之后，Replica Set 会自动选举出一个Primary 节点，两个Secondary 节点。在Primary 节点上进行更新操作，就能同步到Secondary 节点了。
2，修改Replica Set
如果以rs.initiate()方式初始化Replica Set，那么MongoDB以默认配置文档初始化Replica Set，可以通过add()函数增加成员。
2.1 向Replica Set中增加一个成员
rs.add("host:port")
2.2 从Replica Set中删除一个成员
rs.remove("host")
2.3 查看Replica Set的配置
rs.conf()
2.4 重新配置Replica Set
var conf=rs.conf()
conf.members[1].priority =5
--at primary member
rs.reconf(conf) --at secondary member
rs.reconf(conf,{force:true})
2.5 查看Replica Set的状态
rs.status()
六，维护Replica Set
1，查看Replica Set的配置信息
rs.conf()
配置文档主要分为三块：Replica Set 的ID和 Version，Members数组 和 Settings，下面是经过简化的配置信息。
{
"_id" : "rs0",
"version" : 202997,
"members" : [
{
"_id" : 1,
"host" : "srv1:40001",
"arbiterOnly" : false,
"hidden" : false,
"priority" : 5,
"votes" : 1
}, {...}
],
"settings" : { ..... }
}
Replica Set的ID字段唯一标识一个Replica Set，每一个Replica Set都有一个自增的版本号，由Version字段标识，标识Replica Set的不同版本。version字段的初始值是1，每次修改Replica Set的配置时，version字段都会自增。
Settings 字段的值是应用到Replica Set中所有成员的配置信息。
最关键的是members数组的字段，标识每个成员的配置信息。
- arbiterOnly：0或1，标识一个仲裁（arbiter），Arbiter的唯一作用是参与Primary的选举，Arbiter不保存数据，不会为client提供服务，它存在的意义就是为了选举Primary。
- hidden：0或1，表示该成员是不是隐藏成员，Hidden成员的主要作用是备份数据，可以使用性能较差的服务器作为Hidden成员。Hidden成员不会接收Client的请求，也不会成为Primary。在设置Hidden成员时，必须设置members[n].priorty属性为0；
- priority：数值类型，用于设置成员成为Primary的优先级。priority越高的成员，越有机会成为Primary。如果priority=0，那么该成员永远不会成为Primary。
- votes：1或0，表示该成员的投票的数量，在每个Replica Set中，最多有7个成员，其votes属性值是1。votes 属性是1的成员（voting members）拥有选举Primary的权利。一个成员要想成为一个Primary，那么必须获得voting members的大多成员的支持。
在Replica Set中，如果voting members的数量是5，那么一个成员成为Primary的条件是：获得超过2个voting members的支持，并且没有任何voting members 反对。只要有任意一个voting member 反对该成员成为Primary，那么该成员就不能成为Primary。
2，强制一个成员成为Primary
如果将一个成员的priority属性在Replica Set的所有成员中是最高的，那么该成员最有可能成为Primary。
将成员0的priority设置5，其他成员的priority设置为1，这样，成员0成为Primary的优先级是最高的。
cfg = rs.conf()
cfg.members[0].priority = 5
cfg.members[1].priority = 1
cfg.members[2].priority = 1
rs.reconfig(cfg)
七，测试数据
1，在Primary上读写数据
db.users.insert({_id:1,name:"a",age:24})
2，在Secondary上读取数据
默认情况下，客户端不能从Secondary成员中读取数据。在Secondary成员上显式执行setSlaveOk之后，才能从Secondary节点读取数据。
rs.setSalveOk()
db.users.find({_id:1})
八，查看mongod 服务器的命令行参数
db.serverCmdLineOpts()
/* 0 */
{
"argv" : [
"mongod",
"-f",
"C:\\data\\rs0_1.conf"
],
"parsed" : {
"config" : "C:\\data\\rs0_1.conf",
"net" : {
"port" : 40001
},
"replication" : {
"replSet" : "rs0"
},
"storage" : {
"dbPath" : "C:\\data\\db\\db_rs0"
},
"systemLog" : {
"destination" : "file",
"path" : "C:\\data\\db\\db_rs0\\rs0_1.log"
}
},
"ok" : 1
}
参考doc：