ElasticSearch查询流程详解

Posted 2023-02-20

参考技术A

前面已经介绍了ElasticSearch的写入流程，了解了ElasticSearch写入时的分布式特性的相关原理。ElasticSearch作为一款具有强大搜索功能的存储引擎，它的读取是什么样的呢？读取相比写入简单的多，但是在使用过程中有哪些需要我们注意的呢？本篇文章会进行详细的分析。

在前面的文章我们已经知道ElasticSearch的读取分为两种GET和SEARCH。这两种操作是有一定的差异的，下面我们先对这两种核心的数据读取方式进行一一分析。

（图片来自官网）

以下是从主分片或者副本分片检索文档的步骤顺序：

注意：

在协调节点有个http_server_worker线程池。收到读请求后它的具体过程为：

数据节点上有一个get线程池。收到了请求后，处理过程为：

注意：

get过程会加读锁。处理realtime选项，如果为true，则先判断是否有数据可以刷盘，然后调用Searcher进行读取。Searcher是对IndexSearcher的封装在早期realtime为true则会从tranlog中读取，后面只会从index的lucene读取了。即实时的数据只在lucene之中。

对于Search类请求，ElasticSearch请求是查询lucene的Segment，前面的写入详情流程也分析了，新增的文档会定时的refresh到磁盘中，所以搜索是属于近实时的。而且因为没有文档id，你不知道你要检索的文档在哪个分配上，需要将索引的所有的分片都去搜索下，然后汇总。ElasticSearch的search一般有两个搜索类型

所有的搜索系统一般都是两阶段查询：

第一阶段查询到匹配的docID，第二阶段再查询DocID对应的完整文档。这种在ElasticSearch中称为query_then_fetch，另一种就是一阶段查询的时候就返回完整Doc，在ElasticSearch中叫query_and_fetch，一般第二种适用于只需要查询一个Shard的请求。因为这种一次请求就能将数据请求到，减少交互次数，二阶段的原因是需要多个分片聚合汇总，如果数据量太大那么会影响网络传输效率，所以第一阶段会先返回id。

除了上述的这两种查询外，还有一种三阶段查询的情况。

搜索里面有一种算分逻辑是根据TF和DF来计算score的，而在普通的查询中，第一阶段去每个Shard中独立查询时携带条件算分都是独立的，即Shard中的TF和DF也是独立的。虽然从统计学的基础上数据量多的情况下，每一个分片的TF和DF在整体上会趋向于准确。但是总会有情况导致局部的TF和DF不准的情况出现。

ElasticSearch为了解决这个问题引入了DFS查询。

比如DFS_query_then_fetch，它在每次查询时会先收集所有Shard中的TF和DF值，然后将这些值带入请求中，再次执行query_then_fetch，这样算分的时候TF和DF就是准确的，类似的有DFS_query_and_fetch。这种查询的优势是算分更加精准，但是效率会变差。

另一种选择是用BM25代替TF/DF模型。

在ElasticSearch7.x，用户没法指定以下两种方式： DFS_query_and_fetch 和 query_and_fetch 。

注：这两种算分的算法模型在《ElasticSearch实战篇》有介绍：

这里query_then_fetch具体的搜索的流程图如下：

（图片来自官网）

查询阶段包含以下四个步骤:

以上就是ElasticSearch的search的详细流程，下面会对每一步进行进一步的说明。

协调节点处理query请求的线程池为：

http_server_work

负责该解析功能的类为：

org.elasticsearch.rest.action.search.RestSearchAction

主要将restquest的参数封装成SearchRequest

这样SearchRequest请求发送给TransportSearchAction处理

将索引涉及到的shard列表或者有跨集群访问相关的shard列表合并

如果有多个分片位于同一个节点，仍然会发送多次请求

shardsIts为搜索涉及的所有分片，而shardRoutings.nextOrNull()会从分片的所有副本分片选出一个分片来请求。

onShardSuccess对收集到的结果进行合并，这里需要检查所有的请求是否都已经有了回复。

然后才会判断要不要进行executeNextPhase

当返回结果的分片数等于预期的总分片数时，协调节点会进入当前Phase的结束处理，启动下一个阶段Fetch Phase的执行。onPhaseDone()会executeNextPhase来执行下一个阶段。

当触发了executeNextPhase方法将触发fetch阶段

上一步的executeNextPhase方法触发Fetch阶段，Fetch阶段的起点为FetchSearchPhase#innerRun函数，从查询阶段的shard列表中遍历，跳过查询结果为空的 shard。其中也会封装一些分页信息的数据。

使用了countDown多线程工具，fetchResults存储某个分片的结果，每收到一个shard的数据就countDoun一下，当都完毕后，触发finishPhase。接着会进行下一步：

CountedCollector:

finishPhase:

执行字段折叠功能，有兴趣可以研究下。即ExpandSearchPhase模块。ES 5.3版本以后支持的Field Collapsing查询。通过该类查询可以轻松实现按Field值进行分类，每个分类获取排名前N的文档。如在菜单行为日志中按菜单名称（用户管理、角色管理等）分类，获取每个菜单排名点击数前十的员工。用户也可以按Field进行Aggregation实现类似功能，但Field Collapsing会更易用、高效。

ExpandSearchPhase执行完了，就返回给客户端结果了。

处理数据节点请求的线程池为：search

根据前面的两个阶段，数据节点主要处理协调节点的两类请求：query和fetch

这里响应的请求就是第一阶段的query请求

executeQueryPhase:

executeQueryPhase会执行loadOrExecuteQueryPhase方法

这里判断是否从缓存查询，默认启用缓存，缓存的算法默认为LRU，即删除最近最少使用的数据。如果不启用缓存则会执行queryPhase.execute(context);底层调用lucene进行检索，并且进行聚合。

关键点：

ElasticSearch查询分为两类，一类为GET，另一类为SEARCH。它们使用场景不同。

本文主要分析了ElasticSearch分布式查询主体流程，并未对lucene部分进行分析，有兴趣的可以自行查找相关资料。