阿里 ES 面试题

Posted 2023-03-13

参考技术A 可以通过版本号使用乐观并发控制，以确保新版本不会被旧版本覆盖，由应用层来处理具体的冲突；
另外对于写操作，一致性级别支持quorum/one/all，默认为quorum，即只有当大多数分片可用时才允许写操作。但即使大多数可用，也可能存在因为网络等原因导致写入副本失败，这样该副本被认为故障，分片将会在一个不同的节点上重建。
对于读操作，可以设置replication为sync(默认)，这使得操作在主分片和副本分片都完成后才会返回；如果设置replication为async时，也可以通过设置搜索请求参数_preference为primary来查询主分片，确保文档是最新版本。

Elasticsearch 提供的首个近似聚合是cardinality 度量。它提供一个字段的基数，即该字段的distinct或者unique值的数目。它是基于HLL算法的。HLL 会先对我们的输入作哈希运算，然后根据哈希运算的结果中的 bits 做概率估算从而得到基数。其特点是：可配置的精度，用来控制内存的使用（更精确 ＝ 更多内存）；小的数据集精度是非常高的；我们可以通过配置参数，来设置去重需要的固定内存使用量。无论数千还是数十亿的唯一值，内存使用量只与你配置的精确度相关。

SEE： https://elasticsearch.cn/article/32

倒排词典的索引需要常驻内存，无法GC，需要监控data node上segment memory增长趋势。
各类缓存，field cache, filter cache, indexing cache, bulk queue等等，要设置合理的大小，并且要应该根据最坏的情况来看heap是否够用，也就是各类缓存全部占满的时候，还有heap空间可以分配给其他任务吗？避免采用clear cache等“自欺欺人”的方式来释放内存。
避免返回大量结果集的搜索与聚合。确实需要大量拉取数据的场景，可以采用scan & scroll api来实现。
cluster stats驻留内存并无法水平扩展，超大规模集群可以考虑分拆成多个集群通过tribe node连接。
想知道heap够不够，必须结合实际应用场景，并对集群的heap使用情况做持续的监控。

64 GB 内存的机器是非常理想的， 但是32 GB 和16 GB 机器也是很常见的。少于8 GB 会适得其反。
如果你要在更快的 CPUs 和更多的核心之间选择，选择更多的核心更好。多个内核提供的额外并发远胜过稍微快一点点的时钟频率。
如果你负担得起 SSD，它将远远超出任何旋转介质。 基于 SSD 的节点，查询和索引性能都有提升。如果你负担得起，SSD 是一个好的选择。
即使数据中心们近在咫尺，也要避免集群跨越多个数据中心。绝对要避免集群跨越大的地理距离。
请确保运行你应用程序的 JVM 和服务器的 JVM 是完全一样的。 在 Elasticsearch 的几个地方，使用 Java 的本地序列化。
通过设置gateway.recover_after_nodes、gateway.expected_nodes、gateway.recover_after_time可以在集群重启的时候避免过多的分片交换，这可能会让数据恢复从数个小时缩短为几秒钟。
Elasticsearch 默认被配置为使用单播发现，以防止节点无意中加入集群。只有在同一台机器上运行的节点才会自动组成集群。最好使用单播代替组播。
不要随意修改垃圾回收器（CMS）和各个线程池的大小。
把你的内存的（少于）一半给 Lucene（但不要超过 32 GB！），通过ES_HEAP_SIZE 环境变量设置。
内存交换到磁盘对服务器性能来说是致命的。如果内存交换到磁盘上，一个 100 微秒的操作可能变成 10 毫秒。 再想想那么多 10 微秒的操作时延累加起来。 不难看出 swapping 对于性能是多么可怕。
Lucene 使用了大量的文件。同时，Elasticsearch 在节点和 HTTP 客户端之间进行通信也使用了大量的套接字。 所有这一切都需要足够的文件描述符。你应该增加你的文件描述符，设置一个很大的值，如 64,000。

补充：索引阶段性能提升方法

使用批量请求并调整其大小：每次批量数据 5–15 MB 大是个不错的起始点。
存储：使用 SSD
段和合并：Elasticsearch 默认值是 20 MB/s，对机械磁盘应该是个不错的设置。如果你用的是 SSD，可以考虑提高到 100–200 MB/s。如果你在做批量导入，完全不在意搜索，你可以彻底关掉合并限流。另外还可以增加 index.translog.flush_threshold_size 设置，从默认的 512 MB 到更大一些的值，比如 1 GB，这可以在一次清空触发的时候在事务日志里积累出更大的段。
如果你的搜索结果不需要近实时的准确度，考虑把每个索引的index.refresh_interval 改到30s。
如果你在做大批量导入，考虑通过设置index.number_of_replicas: 0 关闭副本。

搜索被执行成一个两阶段过程，我们称之为 Query Then Fetch；
在初始查询阶段时，查询会广播到索引中每一个分片拷贝（主分片或者副本分片）。 每个分片在本地执行搜索并构建一个匹配文档的大小为 from + size 的优先队列。PS：在搜索的时候是会查询Filesystem Cache的，但是有部分数据还在Memory Buffer，所以搜索是近实时的。
每个分片返回各自优先队列中 所有文档的 ID 和排序值 给协调节点，它合并这些值到自己的优先队列中来产生一个全局排序后的结果列表。
接下来就是 取回阶段，协调节点辨别出哪些文档需要被取回并向相关的分片提交多个 GET 请求。每个分片加载并 丰富 文档，如果有需要的话，接着返回文档给协调节点。一旦所有的文档都被取回了，协调节点返回结果给客户端。
补充：Query Then Fetch的搜索类型在文档相关性打分的时候参考的是本分片的数据，这样在文档数量较少的时候可能不够准确，DFS Query Then Fetch增加了一个预查询的处理，询问Term和Document frequency，这个评分更准确，但是性能会变差。

删除和更新也都是写操作，但是Elasticsearch中的文档是不可变的，因此不能被删除或者改动以展示其变更；
磁盘上的每个段都有一个相应的.del文件。当删除请求发送后，文档并没有真的被删除，而是在.del文件中被标记为删除。该文档依然能匹配查询，但是会在结果中被过滤掉。当段合并时，在.del文件中被标记为删除的文档将不会被写入新段。
在新的文档被创建时，Elasticsearch会为该文档指定一个版本号，当执行更新时，旧版本的文档在.del文件中被标记为删除，新版本的文档被索引到一个新段。旧版本的文档依然能匹配查询，但是会在结果中被过滤掉。

shard = hash(document_id) % (num_of_primary_shards)

补充：关于Lucene的Segement：

Elasticsearch的选主是ZenDiscovery模块负责的，主要包含Ping（节点之间通过这个RPC来发现彼此）和Unicast（单播模块包含一个主机列表以控制哪些节点需要ping通）这两部分；
对所有可以成为master的节点（node.master: true）根据nodeId字典排序，每次选举每个节点都把自己所知道节点排一次序，然后选出第一个（第0位）节点，暂且认为它是master节点。
如果对某个节点的投票数达到一定的值（可以成为master节点数n/2+1）并且该节点自己也选举自己，那这个节点就是master。否则重新选举一直到满足上述条件。
补充：master节点的职责主要包括集群、节点和索引的管理，不负责文档级别的管理；data节点可以关闭http功能。

生成大量长生命周期的对象，是给heap造成压力的主要原因，例如读取一大片数据在内存中进行排序，或者在heap内部建cache缓存大量数据。如果GC释放的空间有限，而应用层面持续大量申请新对象，GC频度就开始上升，同时会消耗掉很多CPU时间。

Lucene的倒排索引(Inverted Index)是先在内存里生成，然后定期以段文件(segment file)的形式刷到磁盘的。每个段实际就是一个完整的倒排索引，并且一旦写到磁盘上就不会做修改。 API层面的文档更新和删除实际上是增量写入的一种特殊文档，会保存在新的段里。不变的段文件易于被操作系统cache，热数据几乎等效于内存访问。

基于以上2个基本事实，我们不难理解，为何官方建议的heap size不要超过系统可用内存的一半。heap以外的内存并不会被浪费，操作系统会很开心的利用他们来cache被用读取过的段文件。

Heap分配多少合适？遵从官方建议就没错。 不要超过系统可用内存的一半，并且不要超过32GB。JVM参数呢？对于初级用户来说，并不需要做特别调整，仍然遵从官方的建议，将xms和xmx设置成和heap一样大小，避免动态分配heap size就好了。虽然有针对性的调整JVM参数可以带来些许GC效率的提升，当有一些“坏”用例的时候，这些调整并不会有什么魔法效果帮你减轻heap压力，甚至可能让问题更糟糕。

Segment不是file吗？segment memory又是什么？前面提到过，一个segment是一个完备的lucene倒排索引，而倒排索引是通过词典 (Term Dictionary)到文档列表(Postings List)的映射关系，快速做查询的。 由于词典的size会很大，全部装载到heap里不现实，因此Lucene为词典做了一层前缀索引(Term Index)，这个索引在Lucene4.0以后采用的数据结构是FST (Finite State Transducer)。 这种数据结构占用空间很小，Lucene打开索引的时候将其全量装载到内存中，加快磁盘上词典查询速度的同时减少随机磁盘访问次数。

说白了,ES的data node存储数据并非只是耗费磁盘空间的，为了加速数据的访问，每个segment都有会一些索引数据驻留在heap里。因此segment越多，瓜分掉的heap也越多，并且这部分heap是无法被GC掉的！ 理解这点对于监控和管理集群容量很重要，当一个node的segment memory占用过多的时候，就需要考虑删除、归档数据，或者扩容了。

怎么知道segment memory占用情况呢? CAT API可以给出答案。

Filter Cache
Filter cache是用来缓存使用过的filter的结果集的，需要注意的是这个缓存也是常驻heap，无法GC的。我的经验是默认的10% heap设置工作得够好了，如果实际使用中heap没什么压力的情况下，才考虑加大这个设置。

Field Data cache
在有大量排序、数据聚合的应用场景，可以说field data cache是性能和稳定性的杀手。 对搜索结果做排序或者聚合操作，需要将倒排索引里的数据进行解析，然后进行一次倒排。 这个过程非常耗费时间，因此ES 2.0以前的版本主要依赖这个cache缓存已经计算过的数据，提升性能。但是由于heap空间有限，当遇到用户对海量数据做计算的时候，就很容易导致heap吃紧，集群频繁GC，根本无法完成计算过程。 ES2.0以后，正式默认启用Doc Values特性(1.x需要手动更改mapping开启)，将field data在indexing time构建在磁盘上，经过一系列优化，可以达到比之前采用field data cache机制更好的性能。因此需要限制对field data cache的使用，最好是完全不用，可以极大释放heap压力。 需要注意的是，很多同学已经升级到ES2.0，或者1.0里已经设置mapping启用了doc values，在kibana里仍然会遇到问题。 这里一个陷阱就在于kibana的table panel可以对所有字段排序。 设想如果有一个字段是analyzed过的，而用户去点击对应字段的排序表头是什么后果？ 一来排序的结果并不是用户想要的，排序的对象实际是词典； 二来analyzed过的字段无法利用doc values，需要装载到field data cache，数据量很大的情况下可能集群就在忙着GC或者根本出不来结果。

Bulk Queue
一般来说，Bulk queue不会消耗很多的heap，但是见过一些用户为了提高bulk的速度，客户端设置了很大的并发量，并且将bulk Queue设置到不可思议的大，比如好几千。 Bulk Queue是做什么用的？当所有的bulk thread都在忙，无法响应新的bulk request的时候，将request在内存里排列起来，然后慢慢清掉。 这在应对短暂的请求爆发的时候有用，但是如果集群本身索引速度一直跟不上，设置的好几千的queue都满了会是什么状况呢？ 取决于一个bulk的数据量大小，乘上queue的大小，heap很有可能就不够用，内存溢出了。一般来说官方默认的thread pool设置已经能很好的工作了，建议不要随意去“调优”相关的设置，很多时候都是适得其反的效果。

Indexing Buffer
Indexing Buffer是用来缓存新数据，当其满了或者refresh/flush interval到了，就会以segment file的形式写入到磁盘。 这个参数的默认值是10% heap size。根据经验，这个默认值也能够很好的工作，应对很大的索引吞吐量。 但有些用户认为这个buffer越大吞吐量越高，因此见过有用户将其设置为40%的。到了极端的情况，写入速度很高的时候，40%都被占用，导致OOM。

Cluster State Buffer
ES被设计成每个node都可以响应用户的api请求，因此每个node的内存里都包含有一份集群状态的拷贝。这个cluster state包含诸如集群有多少个node，多少个index，每个index的mapping是什么？有少shard，每个shard的分配情况等等 (ES有各类stats api获取这类数据)。 在一个规模很大的集群，这个状态信息可能会非常大的，耗用的内存空间就不可忽视了。并且在ES2.0之前的版本，state的更新是由master node做完以后全量散播到其他结点的。 频繁的状态更新都有可能给heap带来压力。 在超大规模集群的情况下，可以考虑分集群并通过tribe node连接做到对用户api的透明，这样可以保证每个集群里的state信息不会膨胀得过大。

超大搜索聚合结果集的fetch
ES是分布式搜索引擎，搜索和聚合计算除了在各个data node并行计算以外，还需要将结果返回给汇总节点进行汇总和排序后再返回。无论是搜索，还是聚合，如果返回结果的size设置过大，都会给heap造成很大的压力，特别是数据汇聚节点。超大的size多数情况下都是用户用例不对，比如本来是想计算cardinality，却用了terms aggregation + size:0这样的方式; 对大结果集做深度分页；一次性拉取全量数据等等。

小结：

查询性能中routing非常重要,

分合: 在实践过程中,索引越来越大,那么单个shard分片也越来越大,查询速度也越来越慢.

是选择分索引还是分shards?

实验中更多的shards会带来额外的IO压力.

Elastic 官方文档建议：一个 Node 最好不要多于三个 shards。

线程池我们默认使用 fixed，使用 cached 有可能控制不好。主要是比较大的分片 relocation时，会导致分片自动下线，集群可能处于危险状态。在集群高压时，若是 cached ，分片也可能自动下线。

在大多数环境中，每个节点都在单独的盒子或虚拟机上运行。
　　索引 - 在Elasticsearch中，索引是文档的集合。
　　分片 -因为Elasticsearch是一个分布式搜索引擎，所以索引通常被分割成分布在多个节点上的被称为分片的元素。

​ 　　Elasticsearch 提供的首个近似聚合是cardinality 度量。它提供一个字段的基数，即该字段的distinct或者unique值的数目。它是基于HLL算法的。HLL 会先对我们的输入作哈希运算，然后根据哈希运算的结果中的 bits 做概率估算从而得到基数。其特点是：可配置的精度，用来控制内存的使用（更精确 ＝ 更多内存）；小的数据集精度是非常高的；我们可以通过配置参数，来设置去重需要的固定内存使用量。无论数千还是数十亿的唯一值，内存使用量只与你配置的精确度相关 .

Solr 在传统的搜索应用中表现好于 Elasticsearch，但在处理实时搜索应用时效率明显低于 Elasticsearch。

Solr 是传统搜索应用的有力解决方案，但 Elasticsearch 更适用于新兴的实时搜索应用。