用 Patroni 打造 PostgreSQL 高可用性：从零到稳如磐石

欢迎踏入 PostgreSQL 高可用性（HA）的精彩世界！在业务场景中，数据库的持续可用性是至关重要的，任何中断都可能引发严重后果。今天，我们将聚焦 Patroni，一个强大的开源工具，帮助您构建一个自动故障转移、自我修复的 PostgreSQL 高可用性集群。本文将以通俗易懂、循序渐进的教学风格，带您了解 Patroni 如何实现高可用性，核心配置步骤，以及如何在实践中确保数据库“永不宕机”。无论您是数据库新手还是经验丰富的 DBA，这篇文章都将为您提供清晰的指引！

类比讲解：Patroni 就像一支训练有素的消防队。PostgreSQL 节点是消防员，分布式配置存储（DCS）是指挥中心，HAProxy 是报警电话，而 Patroni 确保当火灾（主节点故障）发生时，备用消防员（从节点）迅速接管，扑灭火焰（服务中断），让城市（业务）安全无忧！

1. Patroni 如何实现高可用性？

1.1 Patroni 的核心机制

Patroni 是一个基于 Python 的工具，结合 PostgreSQL 的**流复制（Streaming Replication）**和分布式配置存储（DCS），实现高可用性。它的核心机制包括：

自动故障转移：当主节点（Primary）故障时，Patroni 使用分布式共识算法（通过 DCS，如 etcd）选举一个从节点（Replica）为主节点，确保服务不中断。
节点健康监控：Patroni 在每个节点运行，定期检查 PostgreSQL 的状态（如复制延迟、运行状态），并通过 REST API 报告。
动态配置管理：通过 DCS（如 etcd、Consul、ZooKeeper）存储集群状态（如主节点信息、配置），确保所有节点保持一致。
负载均衡：结合 HAProxy 或 PgBouncer，Patroni 提供统一的访问入口，写请求路由到主节点，读请求分发到从节点。
自我修复：故障节点恢复后，Patroni 自动重新初始化并加入集群，使用 pg_rewind 修复数据不一致。

类比讲解：Patroni 是集群的“心脏起搏器”。当心脏（主节点）停跳，起搏器迅速激活备用电源（从节点），并通过电线（DCS）协调节奏，确保心脏（服务）继续跳动！

1.2 为什么 Patroni 适合高可用性？

相比 PostgreSQL 原生流复制，Patroni 解决了以下痛点：

无自动故障转移：原生复制需要手动切换主节点。
节点恢复复杂：故障节点需手动重新配置。
缺乏统一管理：原生工具无法监控集群状态。

Patroni 的优势：

自动化：故障转移和恢复全自动，减少人工干预。
灵活性：支持多种 DCS（etcd、Consul、ZooKeeper、Kubernetes）。
可扩展性：轻松添加从节点，提升读性能。
健壮性：集成备份工具（如 pgBackRest），确保数据安全。

教学小贴士：Patroni 就像自动驾驶系统。您只需设定目的地（高可用性），它会自动导航（故障转移）、避障（节点恢复），让旅程（数据库服务）安全顺畅！

2. Patroni 高可用性架构

一个典型的 Patroni 高可用性集群包括：

PostgreSQL 节点：一个主节点（写）和多个从节点（读），通过流复制同步。
Patroni 代理：运行在每个节点，管理 PostgreSQL 生命周期（启动、停止、故障转移）。
分布式配置存储（DCS）：如 etcd，存储集群状态和锁机制。
负载均衡器：HAProxy 路由写请求到主节点，读请求到从节点。
备份工具（可选）：pgBackRest 提供备份和点对恢复（PITR）。

架构示意图：

客户端 <-> HAProxy <-> [主节点 + Patroni] <-> [从节点 + Patroni]
                        |                         |
                        +-------> etcd <----------+
                          (分布式配置存储)

类比讲解：Patroni 集群像一个智能厨房。PostgreSQL 节点是厨师，Patroni 是主厨，etcd 是食谱，HAProxy 是服务员，引导客人（请求）到正确的厨师（节点）。

3. 配置 Patroni 高可用性集群

以下是搭建一个简单 Patroni 集群的步骤，基于 Ubuntu 20.04，包含 2 个 PostgreSQL 节点（node1: 192.168.1.101, node2: 192.168.1.102）和 1 个 etcd/HAProxy 节点（192.168.1.103）。

3.1 准备工作

操作系统：Ubuntu 20.04。
节点：3 台服务器，IP 如上。
端口：开放 5432（PostgreSQL）、8008（Patroni API）、2379/2380（etcd）、5000/5001（HAProxy）。
软件：PostgreSQL 14、Patroni、etcd、HAProxy。

教学小贴士：准备工作像布置教室。确保每个学生（节点）有课本（软件）和座位（网络配置），才能开始上课（集群搭建）！

3.2 安装软件

在所有节点上执行：

安装 PostgreSQL：

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sudo sh -c 'echo "deb http://apt.postgresql.org/pub/repos/apt $(lsb_release -cs)-pgdg main" > /etc/apt/sources.list.d/pgdg.list'
wget --quiet -O - https://www.postgresql.org/media/keys/ACCC4CF8.asc | sudo apt-key add -
sudo apt update
sudo apt install -y postgresql-14

安装 Patroni 和依赖：

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sudo apt install -y python3 python3-pip
sudo pip3 install patroni python-etcd psycopg2-binary

停止默认 PostgreSQL：

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sudo systemctl stop postgresql
sudo systemctl disable postgresql

在 etcd/HAProxy 节点（192.168.1.103）： 4. 安装 etcd 和 HAProxy：

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sudo apt install -y etcd haproxy

3.3 配置 etcd

In 192.168.1.103 上：

编辑 etcd 配置文件（/etc/default/etcd）：

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sudo vi /etc/default/etcd

配置单节点 etcd：

ETCD_LISTEN_PEER_URLS="http://192.168.1.103:2380"
ETCD_LISTEN_CLIENT_URLS="http://localhost:2379,http://192.168.1.103:2379"
ETCD_INITIAL_ADVERTISE_PEER_URLS="http://192.168.1.103:2380"
ETCD_INITIAL_CLUSTER="etcd0=http://192.168.1.103:2380"
ETCD_ADVERTISE_CLIENT_URLS="http://192.168.1.103:2379"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_TOKEN="etcd-cluster"
ETCD_INITIAL_CLUSTER_STATE="new"

启动 etcd：

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sudo systemctl restart etcd
sudo systemctl enable etcd

验证：
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etcdctl member list

类比讲解：etcd 是集群的“指挥塔”，记录谁是队长（主节点）。配置 etcd 就像调试对讲机，确保指令清晰传达！

3.4 配置 Patroni

在 node1 和 node2 上：

创建数据目录：

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sudo mkdir -p /data/pgsql
sudo chown postgres:postgres /data/pgsql
sudo chmod 700 /data/pgsql

创建 Patroni 配置文件（/etc/patroni.yml）：在 node1 (192.168.1.101)：

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sudo mkdir /etc/patroni
sudo vi /etc/patroni/patroni.yml

添加：

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scope: postgres
name: node1
restapi:
  listen: 192.168.1.101:8008
  connect_address: 192.168.1.101:8008
etcd:
  host: 192.168.1.103:2379
bootstrap:
  dcs:
    ttl: 30
    loop_wait: 10
    maximum_lag_on_failover: 1048576
  postgresql:
    use_pg_rewind: true
    initdb:
    - encoding: UTF8
    - data-checksums
    pg_hba:
    - host replication replicator 192.168.1.0/24 md5
    - host all all 0.0.0.0/0 md5
postgresql:
  listen: 192.168.1.101:5432
  connect_address: 192.168.1.101:5432
  data_dir: /data/pgsql
  authentication:
    replication:
      username: replicator
      password: replicator
    superuser:
      username: postgres
      password: supersecret

在 node2 (192.168.1.102)，复制并修改：

name: node2
restapi.listen 和 connect_address：改为 192.168.1.102:8008
postgresql.listen 和 connect_address：改为 192.168.1.102:5432

设置权限：

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sudo chown postgres:postgres /etc/patroni/patroni.yml
sudo chmod 600 /etc/patroni/patroni.yml

创建 Patroni 服务：

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sudo vi /etc/systemd/system/patroni.service

添加：

[Unit]
Description=Patroni PostgreSQL Cluster
After=network.target
[Service]
User=postgres
Group=postgres
ExecStart=/usr/local/bin/patroni /etc/patroni.yml
Restart=on-failure
[Install]
WantedBy=multi-user.target

启动 Patroni：

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sudo systemctl daemon-reload
sudo systemctl enable patroni
sudo systemctl start patroni

3.5 配置 HAProxy

在 192.168.1.103 上：

编辑 HAProxy 配置文件（/etc/haproxy/haproxy.cfg）：

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sudo vi /etc/haproxy/haproxy.cfg

添加：

global
    maxconn 1000
    user haproxy
    group haproxy
defaults
    mode tcp
    timeout connect 5000ms
    timeout client 50000ms
    timeout server 50000ms
frontend postgres_write
    bind *:5000
    mode tcp
    option httpchk GET /master
    default_backend postgres_write_backend
backend postgres_write_backend
    mode tcp
    option httpchk GET /master
    server node1 192.168.1.101:5432 check port 8008
    server node2 192.168.1.102:5432 check port 8008
frontend postgres_read
    bind *:5001
    mode tcp
    default_backend postgres_read_backend
backend postgres_read_backend
    mode tcp
    balance roundrobin
    server node1 192.168.1.101:5432
    server node2 192.168.1.102:5432

重启 HAProxy：

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sudo systemctl restart haproxy
sudo systemctl enable haproxy

3.6 验证集群

检查状态：

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sudo -u postgres patronictl -c /etc/patroni.yml list

输出示例：

+ Cluster: postgres ---+----+-----------+
| Member | Host            | Role   | State   | TL | Lag |
+--------+-----------------+--------+---------+----+-----+
| node1  | 192.168.1.101   | Leader | running | 1  |     |
| node2  | 192.168.1.102   | Replica| running | 1  | 0   |
+--------+-----------------+--------+---------+----+-----+

测试连接：

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psql -h 192.168.1.103 -p 5000 -U postgres

模拟故障转移：停止 node1 的 Patroni：
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sudo systemctl stop patroni
再次检查状态，node2 应成为 Leader。

教学小贴士：配置 Patroni 像组装模型飞机。每个零件（etcd、Patroni、HAProxy）必须精确对接，试飞（验证）确保飞机（集群）平稳起飞！

4. 优化与注意事项

4.1 优化建议

多节点 DCS：部署 3 或 5 个 etcd 节点，避免单点故障：

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etcd:
  hosts: 192.168.1.103:2379,192.168.1.104:2379,192.168.1.105:2379

备份：集成 pgBackRest：

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sudo apt install pgbackrest
sudo pgbackrest --stanza=pg_cluster backup

监控：使用 Prometheus 或 PMM 监控复制延迟和节点状态。

复制延迟：调整 maximum_lag_on_failover 和 WAL 参数：

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postgresql:
  parameters:
    wal_buffers: 16MB
    max_wal_senders: 10

4.2 注意事项

防火墙：限制公网访问，仅开放必要端口。
日志检查：故障时查看 Patroni 日志：
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journalctl -u patroni
统计信息：定期运行 ANALYZE 优化查询计划。

权限：确保 pg_hba.conf 允许复制：

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host replication replicator 192.168.1.0/24 md5

类比讲解：优化 Patroni 像调校赛车。调整引擎（etcd）、加装导航（监控）、检查轮胎（备份），让赛车（集群）跑得更快、更稳！

5. 总结与进阶建议

通过本文，您学会了如何使用 Patroni 实现 PostgreSQL 高可用性，包括核心机制、配置步骤和优化技巧。Patroni 通过自动故障转移、分布式共识和负载均衡，确保数据库服务持续可用。

进阶建议：

阅读 Patroni 文档：patroni.readthedocs.io.
实践多节点 etcd 和 pgBackRest 配置。

使用 REST API 开发监控脚本：

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curl http://192.168.1.101:8008/health

探索 Kubernetes 集成，简化 Patroni 部署。

希望这篇文章为您的 PostgreSQL 高可用性之旅提供实用指导！欢迎在博客评论区分享您的 Patroni 经验！

linying

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