Elasticsearch核心原理系列：10张图理解Elasticsearch核心概念

Posted 2022-01-29 慕枫技术笔记

Elasticsearch是什么？它能干什么？

Elasticsearch（以下称之为ES）是一款基于Lucene的分布式全文搜索引擎，擅长海量数据存储、数据分析以及全文检索查询，它是一款非常优秀的数据存储与数据分析中间件，广泛应用于日志分析以及全文检索等领域，目前很多大厂都基于Elasticsearch开发了自己的存储中间件以及数据分析平台。

从核心概念开始

Lucence

Lucene是Apache下的一个子项目，是一个开放源代码的全文检索引擎工具包，但它不是一个完整的全文检索引擎，而是一个全文检索引擎的架构，提供了完整的查询引擎和索引引擎，它是ES实现全文检索的核心基础，索引文档以及搜索索引的的核心流程都是在Lucene中完成的。

核心数据结构

Document

我们都说ES是面向document的，这句话什么意思呢？实际就是表示ES是基于document进行数据操作的，操作主要包括数据搜索以及索引（这里的索引时数据写入的意思）。因此可以说document是ES的基础数据结构，它会被序列化之后保存到ES中。那么这个document到底是个什么东东呢？相信大家都对mysql还是比较熟悉的，因此我们用Mysql中的数据库与表的概念与ES的index进行对比，可能并不是十分的恰当和吻合，但是可以有助于大家对于这些概念的理解。另外type也在ES6.x版本之后逐渐取消了。

Index

在ES之前的版本中，是有type这个概念的，类比数据库中的表，那上文中所说的document就会放在type中。但是在ES后面的版本中为了提高数据存储的效率逐渐取消了type，因此index实际上在现在的ES中既有库的概念也有表的概念。简单理解就是index就是文档的容器，它是一类文档的集合，但是这里需要注意的是index是逻辑空间的分类，实际数据是存在物理空间的分片上的。

另外需要说明的是，在ES中索引是有不同上下文含义的，它既可以是名词也可以是动词。索引为名词是就是上文中提到的它是document的集合，索引为动词的时候表示将document数据保存到ES中，也就是数据写入。

在ES中，为了屏蔽语言的交互差异，ES直接对外的交互都是通过Rest API进行的。

倒排索引

我们都知道索引存在的意义就是为了加速数据的查询。在关系型数据库中如果没有索引的话，为了查找数据我们需要每条数据去进行比对，运气不好的话可能需要扫描全表才能查找到想要的数据。以Mysql为例，它使用了B+树作为索引来加速数据的查询。假设有这样的一种场景，周末在路上逛的时候突然听到一首非常好听的歌曲，你记住了其中两句歌词，想着赶快拿手机到QQ音乐中查一下是什么歌。如果你是QQ音乐的程序猿，你该怎么实现根据歌词查询歌曲的功能呢？
用B+树作为索引行不行呢？全文索引就是需要支持对大文本进行索引的，从空间上来说 B+ 树不适合作为全文索引，同时 B+ 树因为每次搜索都是从根节点开始往下搜索，所以会遵循最左匹配原则，而我们使用全文搜索时，往往不会遵循最左匹配原则，所以可能会导致索引失效。这时候倒排索引就派上用场了。
所谓正排索引就像书中的目录一样，根据页码查询内容，但是倒排索引确实相反的，它是通过对内容的分词，建立内容到文档ID的关联关系。这样在进行全文检索的时候，根据词典的内容便可以精确以及模糊查询，非常符合全文检索的要求。

倒排索引的结构主要包括了两大部分一个是Term Dictionary（单词词典），另一个是Posting List（倒排列表）。Term Dictionary（单词词典）记录了所用文档的单词以及单词和倒排列表的关系。Posting List（倒排列表）则是记录了term在文档中的位置以及其他信息，主要包括文档ID,词频（term在文档中出现的次数，用来计算相关性评分），位置以及偏移（实现搜索高亮）。

FST

如上文所述，在进行全文检索的时候，通过倒排索引中term与docId的关联关系获取到原始数据。但是这里有一个问题，ES底层依赖Lucene实现倒排索引的，因此在进行数据写入的时候，Lucene会为原始数据中的每个term生成对应的倒排索引，因此造成的结果就是倒排索引的数据量就会很大。而倒排索引对应的倒排表文件是存储在硬盘上的。如果每次查询都直接去磁盘中读取倒排索引数据，在通过获取的docId再去查询原始数据的话，肯定会造成多次的磁盘IO，严重影响全文检索的效率。因此我们需要一种方式可以快速定位到倒排索引中的term。大家想想使用什么方式比较好呢？可以考虑HashMap， TRIE， Binary Search Tree或者Tenary Search Tree等数据结构，实际上Lucene实际是使用了FST（Finite State Transducer）有限状态传感器来实现二级索引的设计，它其实就是一种有限状态机。

我们先来看下 trie树的结构，在Lucene中是这样做的，将倒排索引中具有公共前缀的term组成一个block，如下图所示的cool以及copy，它们拥有co的公共前缀，按照类似前缀树的逻辑来构成trie树，对应节点中携带block的首地址。我们来分析下trie树相比hashmap有什么优点？hashmap实现的是精准查找，但是trie树不仅可以实现精准查找，另外由于其公共前缀的特性还可以实现模糊查找。那我们再看trie树有什么地方可以再进行优化的地方？

如上如所示，term中的school以及cool的后面字符是一致的，因此我们可以通过将原先的trie树中的后缀字符进行合并来进一步的压缩空间。优化后的trie树就是FST。

因此通过建立FST这个二级索引，可以实现倒排索引的快速定位，不需要经过多次的磁盘IO，搜索效率大大提高了。不过需要注意的是FST是存储在堆内存中的，而且是常驻内存，大概占用50%-70%的堆内存，因此这里也是我们在生产中可以进行堆内存优化的地方。

集群相关概念

为了增强ES的数据存储可靠性以及高可用，ES支持进行集群部署，集群后的ES即便是某些节点出现故障，也不会导致真个ES集群不可用，同时通过水平扩容增强了ES的数据存储能力。

节点

所谓的节点实际就是ES的实例，我们通常在一台服务器部署一个ES实例，其实就是一个Java进程。虽然都是ES实例，但是实际上的ES集群，不同节点承担着不同的能力角色，有的是data node，主要负责保存分片的数据的，承担着数据横向扩展的重要作用，有的是coordinating node负责将用户请求进行转发以及将查询的结果进行合并返回。当然还有master节点，负责对真个集群状态进行管理和维护。

分片

单个ES节点的数据存储毕竟有限，没法实现海量数据的存储要求。那么怎么才能满足海量数据的存储要求呢？一个核心思想就是拆分，比如总共10亿条数据，如果都放在一个节点中不仅查询以及数据写入的速度回很慢，页存在单点问题。在传统关系型数据库中，采用分库分表的方式，用更多的数据库实例来承接大量的数据存储。那么在ES中，也是采取类似的设计思想，既然一个ES的实例存在数据存储的上线，那么就用多个实例来进行存储。在每个实例中存在的数据集合就是分片。如下图所示，index被切分成三个分片，三个分片分别存储在三个ES实例中，同时为了提升数据的高可用性，每个主分片都有两个副本分片，这些副本分片是主分片的数据拷贝。

put /article
    
	"settings": 
  		"number_of_shards":3,
    	"number_of_replicas":3
    

这里需要注意的是，分片不是随意进行设定的，而是需要根据实际的生产环境提前进行数据存储的容量规划，否则分片设置的过大或者过小都会影响ES集群的整体性能。如果分片设置的过小，那么单个分片的数据量可能会很大，影响数据检索效率，也会影响数据的横向扩展。如果分片设置的过大就会影响搜索结果的数据相关性评分，影响数据检索的准确性。

总结

本文对ES的核心概念进行了全面的梳理与阐述，相信大家对于ES有了初步的了解，下篇文章中再带大家好好理解下ES的核心业务流程的原理以及优秀的设计思想，只有理解了ES的核心概念以及核心流程，那么在生产中遇到一些搜索优化、节点JVM优化等才会有对应的排查方向，另外ES中的一些优秀的设计思想，也是非常值得我们学习的，当我们在设计软件平台的时候有时可以借鉴这些优秀的设计思想。

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