深入理解 Lucene 的 flush 过程

Posted 2021-04-24 Elasticsearch 原理与实践

这里的 flush 是指 Lucene 中对 flush 的定义，即：将内存中的数据刷到磁盘，生成一个新的 segment 的过程，对应 ES 里的操作是 refresh。

最近在对 es 的测试过程中，esrally 批量写入数据后，发现 segment 数量比较预期要多，segment 的生成涉及到 lucene 内部的一些原理。我们都知道，segment 过多有很多缺点，例如：

• 对搜索速度有负面影响，对分片的搜索需要遍历所有的 segment，再合并搜索结果

• open 索引会很慢，open 索引，或者节点重启，在不考虑副分片的情况下，仅仅 open 这些主分片就很慢，因为加载分片的时候，每个 segment 都要被加载，造成大量随机 io，在 open 过程中，查看磁盘的 util 都是100%，将segment force merge后，open 过程比原来快了 N 倍。

• 会占用更多的内存，曾经测试1TB 索引，8万 segment 的情况，将segment force merge到4000的后，JVM内存占用由原来的11GB 降低到了6GB 左右。

单个分片支持并发写入

要了解这点我们首先需要知道，在 es 中，一个分片是允许多线程并发写入的。这就是说，如果你的集群只有一个分片，当写入并发和 cpu 核数一样时，一样可以把 CPU 跑满。

从源码上来说的话，每个分片有一个 InternalEngine 对象，多线程并发写入时，访问的是同一个 InternalEngine对象。而InternalEngine中封装了 Lucene 的indexWriter。这是 Lucene 对写入过程的封装，典型的写入过程如下：

// initialization
Directory index = new NIOFSDirectory(Paths.get("/index"));
IndexWriterConfig config = new IndexWriterConfig();
IndexWriter writer = new IndexWriter(index, config);
// create a document
Document doc = new Document();
doc.add(new TextField("url", "www.elasticsearchbook.cn", Field.Store.YES));
// index the document
writer.addDocument(doc);
writer.commit();

你可能记得，一个分片的写入过程也会加锁，不过，他只是锁了 uid,uid 就是 _id：

try (Releasable ignored = versionMap.acquireLock(index.uid().bytes());

也就是说InternalEngine只对更新操作进行了互斥，新增文档直接多线程调用IndexWriter来写。

既然并行写入时，是由同一个 IndexWriter 对象负责写入，现在我们需要知道 IndexWriter如何支持了并行写入，以及他产生 segment 的时机都有哪些。

Lucene IndexWriter 对并发写入的支持

当多线程调用 IndexWriter执行写入时，IndexWriter会为每个线程分配一个 DocumentsWriterPerThread对象，简称 DWPT，每个 DWPT内部包括一个 buffer，这个 buffer最终会 flush 为单独的 segment 文件。看到这里，你已经能够想到为什么会产生很多小 segment，这与客户在单个分片上执行的写入并发量有关！如果客户端单并发写一个分片，而DWPT总是选择同一个 buffer 来存放 doc 的话，就不会产生那么多 segment，事实正是如此！



下面我们详细看一下在 Elasticsearch 中，一条 doc 在 lucene 的写入过程

Lucene 从写入到 flush 的过程

当一个 doc 在IndexWriter写入完毕后，其内部会判断是否进行 Flush，在执行 Flush 的过程中，会判断是否执行 Merge。主要过程的代码如下：

//分配 DWPT
final ThreadState perThread = flushControl.obtainAndLock();
将 doc 写入 DWPT 的 buffer
seqNo = dwpt.updateDocument(doc, analyzer, delNode, flushNotifications);
//判断当前 DWPT 是否满足 flush 条件
flushingDWPT = flushControl.doAfterDocument(perThread, isUpdate);
//执行 flush，flush 当前 DWPT，以及队列中等待 flush 的其他 DWPT
postUpdate(flushingDWPT, hasEvents)

以新增 doc 为例，一条 doc 的写入过程如下：

分配DWPT

为每个并发分配一个 DWPT，已分配的 DWPT 放入一个LIFO列表中（隶属perThreadPool），先尝试从 LIFO 中分配，没有空闲的就创建新的。由于后进先出的关系，近期使用过的 DWPT 会被优先使用，因此一个分片上有两个写入并发的话，doc 会被写入到两个 DWPT 的 buffer，而不会产生一堆 DWPT。

if (freeList.isEmpty()) {
    // ThreadState is already locked before return by this method:
    return newThreadState();
} else {
    // Important that we are LIFO here! This way if number of concurrent indexing threads was once high, but has now reduced, we only use a
    // limited number of thread states:
    threadState = freeList.remove(freeList.size()-1);
}

将 doc 写入 DWPT 的 buffer

此处过程省略

检查 flush 条件

Lucene 的 flush 条件有以下检查：

• doc 数量达到阈值，es 调用 Lucene 的时候没有设置这个阈值，因此为无限

• 整个IndexWriter所有的DWPT 中 buffer 使用量达到阈值，es 中使用这种方式，阈值根据 indexing buffer 来计算，默认为堆内存的10%，则对IndexWriter中buffer 最大的 DWPT 标记为等待 flush。

• 当前DWPT 的 buffer 达到 Lucene 内部的 RAMPerThreadHardLimitMB阈值，默认为 1945MB，es 未更改此设置。这个条件一般很难达到

以上是由写入过程自动触发的 flush，其他 flush 时机还包括：

• es 的周期性 refresh

• es 手工调用 refresh

• es 的 flush（6.x 及之前的版本，es 的 flush 会触发 refresh，7.x 及之后不会） 

• es 的 es syncedFlush

因此，在 es 中，由写入过程触发的 lucene flush只有一种情况，就是判断IndexWriter中DWPT的 buffer 总和是否达到设定值（默认堆内存的10%）。如果达到阈值，则对IndexWriter中buffer 最大的 DWPT 标记为等待 flush。相关代码为：

final long limit = (long) (indexWriterConfig.getRAMBufferSizeMB() * 1024.d * 1024.d);
final long totalRam = control.activeBytes() + control.getDeleteBytesUsed();
if (totalRam >= limit) {
    markLargestWriterPending(control, state, totalRam);
}

执行 flush

执行 flush 的时候该 DWPT不会加锁，因此不会阻塞正在执行的写入操作。写入操作会使用新的 DWPT。因为在将 DWPT 标记为需要 flush 的时候，已经将该 DWPT 从perThreadPool中 checkout 出来。相关函数为：checkout->tryCheckoutForFlush();当 DWPT 从perThreadPool中 checkout 出来的时候是有锁保护的。

同样，在 es 周期性执行 refresh，或手工触发 refresh 的时候，也不会阻塞bulk写入，es 的refresh最终调用到 lucene 的flushAllThreads()实现,这个 flush 过程会先调用flushControl.markForFullFlush();将所有的 DWPT 标记为flushPending状态（等待 flush），然后将这些 DWPT 添加到fullFlushBuffer和flushQueue两个列表，后面对 DWPT 执行 flush 操作的时候直接从flushQueue列表里取。

回到本文最初的问题，由于写入并发较高，产生较多的 DWPT 对象，es 周期性的 refresh 会将 indexwriter 所有的 DWPT 全部 flush，此时会产生较多的 segment。

总结

本文基于 es7.1版本，对 es 中 lucene 执行 flush 的地方进行了分析，此处的 flush 指 lucene 的 flush，他将内存的数据写入硬盘，但不执行系统的 sync 进行刷盘操作，实际上只是在系统 cache，相当于 es 的 refresh。es 中的 flush概念与 lucene 的并不相同，es 的 flush 对应在 lucene 中的概念为 commit。

单个 es 分片允许并发写入，也可以有比较高的性能，在本例中，由于索引只有2个主分片，而写入过程错误地配置了过多的并发，导致产生了过多的 segment。因此，在 es bulk 写入数据时最好也考虑到总并发量平均到单个分片时有几个并发。

我们也总结了 es 中触发 lucene flush 的时机，并且了解到，lucene flush并不会阻塞写入。原理在各种类似系统都是相同的，在内存 buffer 写入硬盘时，新的bulk 请求写到了新的 buffer，hbase 的 memstore 刷盘时也是同理，对 memstore执行刷盘时，新数据写入新的 memstore。

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/35795070

最后

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