剖析Elasticsearch集群系列第一篇 Elasticsearch的存储模型和读写操作

Posted 2020-09-28 张发财的博客

剖析Elasticsearch集群系列涵盖了当今最流行的分布式搜索引擎Elasticsearch的底层架构和原型实例。

本文是这个系列的第一篇，在本文中，我们将讨论的Elasticsearch的底层存储模型及CRUD（创建、读取、更新和删除）操作的工作原理。

Elasticsearch是当今最流行的分布式搜索引擎，GitHub、 SalesforceIQ、Netflix等公司将其用于全文检索和分析应用。在Insight，我们用到了Elasticsearch的诸多不同功能，比如：

• 全文检索
  • 比如找到与搜索词项(term)最相关的维基百科文章。
• 聚合
  • 比如在广告网络中，可视化的搜索词项的竞价直方图。
• 地理空间API
  • 比如在顺风车平台，匹配最近的司机和乘客。

正是因为Elasticsearch如此流行并且就在我们身边，我决定深入研究一下。本文，我将分享Elasticsearch的存储模型和CRUD操作的工作原理。

 

当我在思考分布式系统是如何工作时，我脑海里的图案是这样的：

水面以上的是API，以下的才是真正的引擎，一切魔幻般的事件都发生在水下。本文所关注的就是水下的部分，我们将关注：

• Elasticsearch是主从架构还是无主架构
• Elasticsearch的存储模型是什么样的
• Elasticsearch是怎么执行写操作的
• Elasticsearch是怎么执行读操作的
• 如何定义搜索结果的相关性

在我们深入这些概念之前，让我们熟悉下相关的术语。

1 辨析Elasticsearch的索引与Lucene的索引

Elasticsearch中的索引是组织数据的逻辑空间(就好比数据库)。1个Elasticsearch的索引有1个或者多个分片(默认是5个)。分片对应实际存储数据的Lucene的索引，分片自身就是一个搜索引擎。每个分片有0或者多个副本(默认是1个)。Elasticsearch的索引还包含"type"(就像数据库中的表)，用于逻辑上隔离索引中的数据。在Elasticsearch的索引中，给定一个type，它的所有文档会拥有相同的属性(就像表的schema)。

(点击放大图像)

图a展示了一个包含3个分片的Elasticsearch索引，每个分片拥有1个副本。这些分片组成了一个Elasticsearch索引，每个分片自身是一个Lucene索引。图b展示了Elasticsearch索引、分片、Lucene索引和文档之间的逻辑关系。

对应于关系数据库术语

Elasticsearch Index == Database 
Types == Tables 
Properties == Schema

现在我们熟悉了Elasticsearch世界的术语，接下来让我们看一下节点有哪些不同的角色。

2 节点类型

一个Elasticsearch实例是一个节点，一组节点组成了集群。Elasticsearch集群中的节点可以配置为3种不同的角色：

• 主节点：控制Elasticsearch集群，负责集群中的操作，比如创建/删除一个索引，跟踪集群中的节点，分配分片到节点。主节点处理集群的状态并广播到其他节点，并接收其他节点的确认响应。

  每个节点都可以通过设定配置文件elasticsearch.yml中的node.master属性为true(默认)成为主节点。

  对于大型的生产集群来说，推荐使用一个专门的主节点来控制集群，该节点将不处理任何用户请求。

• 数据节点：持有数据和倒排索引。默认情况下，每个节点都可以通过设定配置文件elasticsearch.yml中的node.data属性为true(默认)成为数据节点。如果我们要使用一个专门的主节点，应将其node.data属性设置为false。

• 客户端节点：如果我们将node.master属性和node.data属性都设置为false，那么该节点就是一个客户端节点，扮演一个负载均衡的角色，将到来的请求路由到集群中的各个节点。

Elasticsearch集群中作为客户端接入的节点叫协调节点。协调节点会将客户端请求路由到集群中合适的分片上。对于读请求来说，协调节点每次会选择不同的分片处理请求，以实现负载均衡。

在我们开始研究发送给协调节点的CRUD请求是如何在集群中传播并被引擎执行之前，让我们先来看一下Elasticsearch内部是如何存储数据，以支持全文检索结果的低延迟服务的。

存储模型

Elasticsearch使用了Apache Lucene，后者是Doug Cutting(Apache Hadoop之父)使用Java开发的全文检索工具库，其内部使用的是被称为倒排索引的数据结构，其设计是为全文检索结果的低延迟提供服务。文档是Elasticsearch的数据单位，对文档中的词项进行分词，并创建去重词项的有序列表，将词项与其在文档中出现的位置列表关联，便形成了倒排索引。

这和一本书后面的索引非常类似，即书中包含的词汇与其出现的页码列表关联。当我们说文档被索引了，我们指的是倒排索引。我们来看下如下2个文档是如何被倒排索引的：

文档1(Doc 1): Insight Data Engineering Fellows Program
文档2(Doc 2): Insight Data Science Fellows Program

如果我们想找包含词项"insight"的文档，我们可以扫描这个(单词有序的)倒排索引，找到"insight"并返回包含改词的文档ID，示例中是Doc 1和Doc 2。

为了提高可检索性(比如希望大小写单词都返回)，我们应当先分析文档再对其索引。分析包括2个部分：

• 将句子词条化为独立的单词
• 将单词规范化为标准形式

默认情况下，Elasticsearch使用标准分析器，它使用了：

• 标准分词器以单词为界来切词
• 小写词条(token)过滤器来转换单词

还有很多可用的分析器在此不列举，请参考相关文档。

为了实现查询时能得到对应的结果，查询时应使用与索引时一致的分析器，对文档进行分析。

注意：标准分析器包含了停用词过滤器，但默认情况下没有启用。

现在，倒排索引的概念已经清楚，让我们开始CRUD操作的研究吧。我们从写操作开始。

剖析写操作

创建((C)reate)

当我们发送索引一个新文档的请求到协调节点后，将发生如下一组操作：

• Elasticsearch集群中的每个节点都包含了改节点上分片的元数据信息。协调节点(默认)使用文档ID参与计算，以便为路由提供合适的分片。Elasticsearch使用MurMurHash3函数对文档ID进行哈希，其结果再对分片数量取模，得到的结果即是索引文档的分片。

  shard = hash(document_id) % (num_of_primary_shards)

• 当分片所在的节点接收到来自协调节点的请求后，会将该请求写入translog(我们将在本系列接下来的文章中讲到)，并将文档加入内存缓冲。如果请求在主分片上成功处理，该请求会并行发送到该分片的副本上。当translog被同步(fsync)到全部的主分片及其副本上后，客户端才会收到确认通知。
• 内存缓冲会被周期性刷新(默认是1秒)，内容将被写到文件系统缓存的一个新段上。虽然这个段并没有被同步(fsync)，但它是开放的，内容可以被搜索到。
• 每30分钟，或者当translog很大的时候，translog会被清空，文件系统缓存会被同步。这个过程在Elasticsearch中称为冲洗(flush)。在冲洗过程中，内存中的缓冲将被清除，内容被写入一个新段。段的fsync将创建一个新的提交点，并将内容刷新到磁盘。旧的translog将被删除并开始一个新的translog。

下图展示了写请求及其数据流。

(点击放大图像)

更新((U)pdate)和删除((D)elete)

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。那么，该如何删除和更新文档呢？

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(我们将在本系列接下来的文章中讲到)时，在.del文件中被标记为删除的文档将不会被写入新段。

接下来我们看更新是如何工作的。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。

文档被索引或者更新后，我们就可以执行查询操作了。让我们看看在Elasticsearch中是如何处理查询请求的。

剖析读操作((R)ead)

读操作包含2部分内容：

• 查询阶段
• 提取阶段

我们来看下每个阶段是如何工作的。

查询阶段

在这个阶段，协调节点会将查询请求路由到索引的全部分片(主分片或者其副本)上。每个分片独立执行查询，并为查询结果创建一个优先队列，以相关性得分排序(我们将在本系列的后续文章中讲到)。全部分片都将匹配文档的ID及其相关性得分返回给协调节点。协调节点创建一个优先队列并对结果进行全局排序。会有很多文档匹配结果，但是，默认情况下，每个分片只发送前10个结果给协调节点，协调节点为全部分片上的这些结果创建优先队列并返回前10个作为hit。

提取阶段

当协调节点在生成的全局有序的文档列表中，为全部结果排好序后，它将向包含原始文档的分片发起请求。全部分片填充文档信息并将其返回给协调节点。

下图展示了读请求及其数据流。

(点击放大图像)

如上所述，查询结果是按相关性排序的。接下来，让我们看看相关性是如何定义的。

搜索相关性

相关性是由搜索结果中Elasticsearch打给每个文档的得分决定的。默认使用的排序算法是tf/idf(词频/逆文档频率)。词频衡量了一个词项在文档中出现的次数 (频率越高 == 相关性越高)，逆文档频率衡量了词项在全部索引中出现的频率，是一个索引中文档总数的百分比(频率越高 == 相关性越低)。最后的得分是tf-idf得分与其他因子比如(短语查询中的)词项接近度、(模糊查询中的)词项相似度等的组合。

接下来有什么？

这些CRUD操作由Elasticsearch内部的一些数据结构所支持，这对于理解Elasticsearch的工作机制非常重要。在接下来的系列文章中，我将带大家走进类似的那些概念并告诉大家在使用Elasticsearch中有哪些坑。

• Elasticsearch中的脑裂问题及防治措施
• 事务日志
• Lucene的段
• 为什么搜索时使用深层分页很危险
• 计算搜索相关性中困难及权衡
• 并发控制
• 为什么Elasticsearch是准实时的
• 如何确保读和写的一致性