技术专栏丨从原理到应用，Elasticsearch详解（下）

Posted 2021-04-21 TalkingData

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了技术专栏丨从原理到应用，Elasticsearch详解（下）相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

原始文档存储（行式存储）

fdt文件

文档内容的物理存储文件，由多个chunk组成，Lucene索引文档时，先缓存文档，缓存大于16KB时，就会把文档压缩存储。

fdx文件

文档内容的位置索引，由多个block组成：

1024个chunk归为一个block

block记录chunk的起始文档ID，以及chunk在fdt中的位置

fnm文件

文档元数据信息，包括文档字段的名称、类型、数量等。

原始文档的查询

注意问题：lucene对原始文件的存放是行式存储，并且为了提高空间利用率，是多文档一起压缩，因此取文档时需要读入和解压额外文档，因此取文档过程非常依赖CPU以及随机IO。

相关设置

压缩方式的设置

原始文档的存储对应_source字段，是默认开启的，会占用大量的磁盘空间，上面提到的chunk中的文档压缩，ES默认采用的是LZ4，如果想要提高压缩率，可以将设置改成best_compression。

index.codec: best_compression

特定字段的内容存储

查询的时候，如果想要获取原始字段，需要在_source中获取，因为所有的字段存储在一起，所以获取完整的文档内容与获取其中某个字段，在资源消耗上几乎相同，只是返回给客户端的时候，减少了一定量的网络IO。

ES提供了特定字段内容存储的设置，在设置mappings的时候可以开启，默认是false。如果你的文档内容很大，而其中某个字段的内容有需要经常获取，可以设置开启，将该字段的内容单独存储。

PUT my_index
{
  "mappings": {
    "_doc": {
      "properties": {
        "title": {
          "type": "text",
          "store": true 
        }
      }
    }
  }
}

倒排索引

倒排索引中记录的信息主要有：

文档编号：segment内部文档编号从0开始，最大值为int最大值，文档写入之后会分配这样一个顺序号

字典：字段内容经过分词、归一化、还原词根等操作之后，得到的所有单词

单词出现位置：
▫分词字段默认开启，提供对于短语查询的支持
▫对于非常常见的词，例如the，位置信息可能占用很大空间，短语查询需要读取的数据量很大，查询速度慢

单词出现次数：单词在文档中出现的次数，作为评分的依据

单词结束字符到开始字符的偏移量：记录在文档中开始与结束字符的偏移量，提供高亮使用，默认是禁用的

规范因子：对字段长度进行规范化的因子，给予较短字段更多权重

倒排索引的查找过程本质上是通过单词找对应的文档列表的过程，因此倒排索引中字典的设计决定了倒排索引的查询速度，字典主要包括前缀索引（.tip文件）和后缀索引（.tim）文件。

字典前缀索引（.tip文件）

一个合格的词典结构一般有以下特点：

-查询速度快 -内存占用小 -内存+磁盘相结合

Lucene采用的前缀索引数据结构为FST，它的优点有：

词查找复杂度为O(len(str))

共享前缀、节省空间、内存占用率低，压缩率高，模糊查询支持好

内存存放前缀索引，磁盘存放后缀词块

缺点：结构复杂、输入要求有序、更新不易

字典后缀（.tim文件）

后缀词块主要保存了单词后缀，以及对应的文档列表的位置。

文档列表（.doc文件）

lucene对文档列表存储进行了很好的压缩，来保证缓存友好：

差分压缩：每个ID只记录跟前面的ID的差值

每256个ID放入一个block中

block的头信息存放block中每个ID占用的bit位数，因为经过上面的差分压缩之后，文档列表中的文档ID都变得不大，占用的bit位数变少

上图经过压缩之后将6个数字从原先的24bytes压缩到7bytes。

文档列表的合并

ES的一个重要的查询场景是bool查询，类似于mysql中的and操作，需要将两个条件对应的文档列表进行合并。为了加快文档列表的合并，lucene底层采用了跳表的数据结构，合并过程中，优先遍历较短的链表，去较长的列表中进行查询，如果存在，则该文档符合条件。

倒排索引的查询过程

内存加载tip文件，通过FST匹配前缀找到后缀词块位置

根据词块位置，读取磁盘中tim文件中后缀块并找到后缀和相应的倒排表位置信息

根据倒排表位置去doc文件中加载倒排表

借助跳表结构，对多个文档列表进行合并

filter查询的缓存

对于filter过滤查询的结果，ES会进行缓存，缓存采用的数据结构是RoaringBitmap，在match查询中配合filter能有效加快查询速度。

普通bitset的缺点：内存占用大，RoaringBitmap有很好的压缩特性

分桶：解决文档列表稀疏的情况下，过多的0占用内存，每65536个docid分到一个桶，桶内只记录docid%65536

桶内压缩：4096作为分界点，小余这个值用short数组，大于这个值用bitset，每个short占两字节，4096个short占用65536bit，所以超过4096个文档id之后，是bitset更节省空间。

DocValues（正排索引&列式存储）

倒排索引保存的是词项到文档的映射，也就是词项存在于哪些文档中，DocValues保存的是文档到词项的映射，也就是文档中有哪些词项。

相关设置

keyword字段默认开启

ES6.0（lucene7.0）之前

DocValues采用的数据结构是bitset，bitset对于稀疏数据的支持不好：

对于稀疏的字段来说，绝大部分的空间都被0填充，浪费空间

由于字段的值之间插入了0，可能本来连续的值被0间隔开来了，不利于数据的压缩

空间被一堆0占用了，缓存中缓存的有效数据减少，查询效率也会降低

查询逻辑很简单，类似于数组通过下标进行索引，因为每个value都是固定长度，所以读取文档id为N的value直接从N*固定长度位置开始读取固定长度即可。

ES6.0（lucene7.0）

docid的存储的通过分片加快映射到value的查询速度

value存储的时候不再给空的值分配空间

因为value存储的时候，空值不再分配空间，所以查询的时候不能通过上述通过文档id直接映射到在bitset中的偏移量来获取对应的value，需要通过获取docid的位置来找到对应的value的位置。

所以对于DocValues的查找，关键在于DocIDSet中ID的查找，如果按照简单的链表的查找逻辑，那么DocID的查找速度将会很慢。lucene7借用了RoaringBitmap的分片的思想来加快DocIDSet的查找速度：

分片容量为2的16次方，最多可以存储65536个docid

分片包含的信息：
▫分片ID
▫存储的docid的个数（值不为空的DocIDSet）
▫DocIDSet明细，或者标记分片类型（ALL或者NONE）

根据分片的容量，将分片分为四种不同的类型，不同类型的查找逻辑不通：
▫ALL：该分片内没有不存在值的DocID
▫NONE：该分片内所有的DocID都不存在值
▫SPARSE：该分片内存在值的DocID的个数不超过4096，DocIDSet以short数组的形式存储，查找的时候，遍历数组，找到对应的ID的位置
▫DENSE：该分片内存在值的DocID的个数超过4096，DocIDSet以bitset的形式存储，ID的偏移量也就是在该分片中的位置

最终DocIDSet的查找逻辑为：

计算DocID/65536，得到所在的分片N

计算前面N-1个分片的DocID的总数

找到DocID在分片N内部的位置，从而找到所在位置之前的DocID个数M

找到N+M位置的value即为该DocID对应的value

数据查询

查询过程（query then fetch）

协调节点将请求发送给对应分片

分片查询，返回from+size数量的文档对应的id以及每个id的得分

汇总所有节点的结果，按照得分获取指定区间的文档id

根据查询需求，像对应分片发送多个get请求，获取文档的信息

返回给客户端

get查询更快

默认根据id对文档进行路由，所以指定id的查询可以定位到文档所在的分片，只对某个分片进行查询即可。当然非get查询，只要写入和查询的时候指定routing，同样可以达到该效果。

主分片与副本分片

ES的分片有主备之分，但是对于查询来说，主备分片的地位完全相同，平等的接收查询请求。这里涉及到一个请求的负载均衡策略，6.0之前采用的是轮询的策略，但是这种策略存在不足，轮询方案只能保证查询数据量在主备分片是均衡的，但是不能保证查询压力在主备分片上是均衡的，可能出现慢查询都路由到了主分片上，导致主分片所在的机器压力过大，影响了整个集群对外提供服务的能力。

新版本中优化了该策略，采用了基于负载的请求路由，基于队列的耗费时间自动调节队列长度，负载高的节点的队列长度将减少，让其他节点分摊更多的压力，搜索和索引都将基于这种机制。

get查询的实时性

ES数据写入之后，要经过一个refresh操作之后，才能够创建索引，进行查询。但是get查询很特殊，数据实时可查。

ES5.0之前translog可以提供实时的CRUD，get查询会首先检查translog中有没有最新的修改，然后再尝试去segment中对id进行查找。5.0之后，为了减少translog设计的负责性以便于再其他更重要的方面对translog进行优化，所以取消了translog的实时查询功能。

get查询的实时性，通过每次get查询的时候，如果发现该id还在内存中没有创建索引，那么首先会触发refresh操作，来让id可查。

查询方式

两种查询上下文：

query：例如全文检索，返回的是文档匹配搜索条件的相关性，常用api：match

filter：例如时间区间的限定，回答的是是否，要么是，要么不是，不存在相似程度的概念，常用api：term、range

过滤（filter）的目标是减少那些需要进行评分查询（scoring queries）的文档数量。

分析器(analyzer)

当索引一个文档时，它的全文域被分析成词条以用来创建倒排索引。当进行分词字段的搜索的时候，同样需要将查询字符串通过相同的分析过程，以保证搜索的词条格式与索引中的词条格式一致。当查询一个不分词字段时，不会分析查询字符串，而是搜索指定的精确值。

可以通过下面的命令查看分词结果：

GET /_analyze
{
  "analyzer": "standard",
  "text": "Text to analyze"
}

相关性

默认情况下，返回结果是按相关性倒序排列的。每个文档都有相关性评分，用一个正浮点数字段score来表示。score的评分越高，相关性越高。

ES的相似度算法被定义为检索词频率/反向文档频率(TF/IDF)，包括以下内容：

检索词频率：检索词在该字段出现的频率，出现频率越高，相关性也越高。字段中出现过5次要比只出现过1次的相关性高。

反向文档频率：每个检索词在索引中出现的频率，频率越高，相关性越低。检索词出现在多数文档中会比出现在少数文档中的权重更低。

字段长度准则：字段的长度是多少，长度越长，相关性越低。检索词出现在一个短的title要比同样的词出现在一个长的content字段权重更大。

查询的时候可以通过添加?explain参数，查看上述各个算法的评分结果。

ES在Ad Tracking的应用

日志查询工具

TalkingData 移动广告监测产品Ad Tracking（简称ADT）的系统会接收媒体发过来的点击数据以及SDK发过来的激活和各种效果点数据，这些数据的处理过程正确与否至关重要。例如，设备的一条激活数据为啥没有归因到点击，这类问题的排查在Ad Tracking中很常见，通过将数据流中的各个处理环节的重要日志统一发送到ES，可以很方便的进行查询，技术支持的同事可以通过拼写简单的查询条件排查客户的问题。

索引按天创建：定时关闭历史索引，释放集群资源

别名查询：数据量增大之后，可以通过拆分索引减轻写入压力，拆分之后的索引采用相同的别名，查询服务不需要修改代码

索引重要的设置：

{
    "settings": {
        "index": {
            "refresh_interval": "120s",
            "number_of_shards": "12",
            "translog": {
                "flush_threshold_size": "2048mb"
            },
            "merge": {
                "scheduler": {
                    "max_thread_count": "1"
                }
            },
            "unassigned": {
                "node_left": {
                    "delayed_timeout": "180m"
                }
            }
        }
    }
}

索引mapping的设置

{
    "properties": {
        "action_content": {
            "type": "string",
            "analyzer": "standard"
        },
        "time": {
            "type": "long"
        },
        "trackid": {
            "type": "string",
            "index": "not_analyzed"
        }
    }
}

sql插件，通过拼sql的方式，比起拼json更简单

点击数据存储（kv存储场景）

Ad Tracking收集的点击数据是与广告投放直接相关的数据，应用安装之后，SDK会上报激活事件，系统会去查找这个激活事件是否来自于之前用户点击的某个广告，如果是，那么该激活就是一个推广量，也就是投放的广告带来的激活。激活后续的效果点数据也都会去查找点击，从点击中获取广告投放的一些信息，所以点击查询在Ad Tracking的业务中至关重要。

业务的前期，点击数据是存储在Mysql中的，随着后续点击量的暴增，由于Mysql不能横向扩展，所以需要更换为新的存储。由于ES拥有横向扩展和强悍的搜索能力，并且之前日志查询工具中也一直使用ES，所以决定使用ES来进行点击的存储。

重要的设置

"refresh_interval": "1s"
"translog.flush_threshold_size": "2048mb"
"merge.scheduler.max_thread_count": 1
"unassigned.node_left.delayed_timeout": "180m"

结合业务进行系统优化

结合业务定期关闭索引释放资源：Ad Tracking的点击数据具有有效期的概念，超过有效期的点击，激活不会去归因。点击有效期最长一个月，所以理论上每天创建的索引在一个月之后才能关闭。但是用户配置的点击有效期大部分都是一天，这大部分点击在集群中保存30天是没有意义的，而且会占用大部分的系统资源。所以根据点击的这个业务特点，将每天创建的索引拆分成两个，一个是有效期是一天的点击，一个是超过一天的点击，有效期一天的点击的索引在一天之后就可以关闭，从而保证集群中打开的索引的数据量维持在一个较少的水平。

结合业务将热点数据单独索引：激活和效果点数据都需要去ES中查询点击，但是两者对于点击的查询场景是有差异的，因为效果点事件（例如登录、注册等）归因的时候不是去直接查找点击，而是查找激活进而找到点击，效果点要找的点击一定是之前激活归因到的，所以激活归因到的这部分点击也就是热点数据。激活归因到点击之后，将这部分点击单独存储到单独的索引中，由于这部分点击量少很多，所以效果点查询的时候很快。

索引拆分：Ad Tracking的点击数据按天进行存储，但是随着点击量的增大，单天的索引大小持续增大，尤其是晚上的时候，merge需要合并的segment数量以及大小都很大，造成了很高的IO压力，导致集群的写入受限。后续采用了拆分索引的方案，每天的索引按照上午9点和下午5点两个时间点将索引拆分成三个，由于索引之间的segment合并是相互独立的，只会在一个索引内部进行segment的合并，所以在每个小索引内部，segment合并的压力就会减少。

其他调优

分片的数量

经验值：

每个节点的分片数量保持在低于每1GB堆内存对应集群的分片在20-25之间。

分片大小为50GB通常被界定为适用于各种用例的限制。

JVM设置

堆内存设置：不要超过32G，在Java中，对象实例都分配在堆上，并通过一个指针进行引用。对于64位操作系统而言，默认使用64位指针，指针本身对于空间的占用很大，Java使用一个叫作内存指针压缩（compressed oops）的技术来解决这个问题，简单理解，使用32位指针也可以对对象进行引用，但是一旦堆内存超过32G，这个压缩技术不再生效，实际上失去了更多的内存。

预留一半内存空间给lucene用，lucene会使用大量的堆外内存空间。

如果你有一台128G的机器，一半内存也是64G，超过了32G，可以通过一台机器上启动多个ES实例来保证ES的堆内存小于32G。

ES的配置文件中加入bootstrap.mlockall: true，关闭内存交换。

通过_cat api获取任务执行情况

GET http://localhost:9201/_cat/thread_pool?v&h=host,search.active,search.rejected,search.completed

完成(completed)

进行中(active)

被拒绝(rejected)：需要特别注意，说明已经出现查询请求被拒绝的情况，可能是线程池大小配置的太小，也可能是集群性能瓶颈，需要扩容。

小技巧

重建索引或者批量想ES写历史数据的时候，写之前先关闭副本，写入完成之后，再开启副本。

ES默认用文档id进行路由，所以通过文档id进行查询会更快，因为能直接定位到文档所在的分片，否则需要查询所有的分片。

使用ES自己生成的文档id写入更快，因为ES不需要验证一次自定义的文档id是否存在。

参考资料

https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/index.html

https://github.com/Neway6655/neway6655.github.com/blob/master/_posts/2015-09-11-elasticsearch-study-notes.md

https://www.elastic.co/blog/frame-of-reference-and-roaring-bitmaps

https://blog.csdn.net/zteny/article/details/85245967

https://www.elastic.co/blog/minimize-index-storage-size-elasticsearch-6-0

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