查询亿级数据毫秒级返回！牛逼哄哄的ElasticSearch是如何做到的？

作者：中华石杉 

来源：石杉的架构笔记（ID:shishan100）

目录：

1. 一道面试题的引入：

2. 性能优化的杀手锏：Filesystem Cache

3. 数据预热

4. 冷热分离

5. ElasticSearch 中的关联查询

6. Document 模型设计

7. 分页性能优化

一道面试题的引入：

如果面试的时候碰到这样一个面试题：ElasticSearch（以下简称ES） 在数据量很大的情况下（数十亿级别）如何提高查询效率？

这个问题说白了，就是看你有没有实际用过 ES，因为啥？其实 ES 性能并没有你想象中那么好的。

很多时候数据量大了，特别是有几亿条数据的时候，可能你会懵逼的发现，跑个搜索怎么一下 5~10s，坑爹了。

第一次搜索的时候，是 5~10s，后面反而就快了，可能就几百毫秒。

然后你就很懵，每个用户第一次访问都会比较慢，比较卡么？所以你要是没玩儿过 ES，或者就是自己玩玩儿 Demo，被问到这个问题容易懵逼，显示出你对 ES 确实玩的不怎么样？

说实话，ES 性能优化是没有银弹的。啥意思呢？就是不要期待着随手调一个参数，就可以万能的应对所有的性能慢的场景。

也许有的场景是你换个参数，或者调整一下语法，就可以搞定，但是绝对不是所有场景都可以这样。

性能优化的杀手锏：Filesystem Cache

你往 ES 里写的数据，实际上都写到磁盘文件里去了，查询的时候，操作系统会将磁盘文件里的数据自动缓存到 Filesystem Cache 里面去。

整个过程，如下图所示：

ES 的搜索引擎严重依赖于底层的 Filesystem Cache，你如果给 Filesystem Cache 更多的内存，尽量让内存可以容纳所有的 IDX Segment File 索引数据文件，那么你搜索的时候就基本都是走内存的，性能会非常高。

性能差距究竟可以有多大？我们之前很多的测试和压测，如果走磁盘一般肯定上秒，搜索性能绝对是秒级别的，1 秒、5 秒、10 秒。

但如果是走 Filesystem Cache，是走纯内存的，那么一般来说性能比走磁盘要高一个数量级，基本上就是毫秒级的，从几毫秒到几百毫秒不等。

来看一个真实的案例：某个公司 ES 节点有 3 台机器，每台机器看起来内存很多 64G，总内存就是 64 * 3 = 192G。

每台机器给 ES JVM Heap 是 32G，那么剩下来留给 Filesystem Cache 的就是每台机器才 32G，总共集群里给 Filesystem Cache 的就是 32 * 3 = 96G 内存。

而此时，整个磁盘上索引数据文件，在 3 台机器上一共占用了 1T 的磁盘容量，ES 数据量是 1T，那么每台机器的数据量是 300G。

这样性能好吗？ 

Filesystem Cache 的内存才 100G，十分之一的数据可以放内存，其他的都在磁盘，然后你执行搜索操作，大部分操作都是走磁盘，性能肯定差。

归根结底，你要让 ES 性能好，最佳的情况下，就是你的机器的内存，至少可以容纳你的总数据量的一半。

根据我们自己的生产环境实践经验，最佳的情况下，是仅仅在 ES 中就存少量的数据。

也就是说，你要用来搜索的那些索引，如果内存留给 Filesystem Cache 的是 100G，那么你就将索引数据控制在 100G 以内。这样的话，你的数据几乎全部走内存来搜索，性能非常之高，一般可以在1秒以内。

比如说你现在有一行数据：id，name，age .... 30 个字段。但是你现在搜索，只需要根据 id，name，age 三个字段来搜索。

如果你傻乎乎往 ES 里写入一行数据所有的字段，就会导致 90% 的数据是不用来搜索的。

但是呢，这些数据硬是占据了 ES 机器上的 Filesystem Cache 的空间，单条数据的数据量越大，就会导致 Filesystem Cahce 能缓存的数据就越少。

其实，仅仅写入 ES 中要用来检索的少数几个字段就可以了，比如说就写入 es id，name，age 三个字段。

然后你可以把其他的字段数据存在 MySQL/HBase 里，我们一般是建议用 ES + HBase 这么一个架构。

HBase是列式数据库，其特点是适用于海量数据的在线存储，就是对 HBase 可以写入海量数据，但是不要做复杂的搜索，做很简单的一些根据 id 或者范围进行查询的这么一个操作就可以了。

从 ES 中根据 name 和 age 去搜索，拿到的结果可能就 20 个 doc id，然后根据 doc id 到 HBase 里去查询每个 doc id 对应的完整的数据，给查出来，再返回给前端。

而写入 ES 的数据最好小于等于，或者是略微大于 ES 的 Filesystem Cache 的内存容量。

然后你从 ES 检索可能就花费 20ms，然后再根据 ES 返回的 id 去 HBase 里查询，查 20 条数据，可能也就耗费个 30ms。

如果你像原来那么玩儿，1T 数据都放 ES，可能会每次查询都是 5~10s，而现在性能就会很高，每次查询就是 50ms。

数据预热

假如你就按照上述的方案去做了，ES 集群中每个机器写入的数据量还是超过了 Filesystem Cache 一倍。

比如说你写入一台机器 60G 数据，结果 Filesystem Cache 就 30G，还是有 30G 数据留在了磁盘上。

这种情况下，其实可以做数据预热。举个例子，拿微博来说，你可以把一些大 V，平时看的人很多的数据，提前在后台搞个系统。

然后每隔一会儿，自己的后台系统去搜索一下热数据，刷到 Filesystem Cache 里去，后面用户实际上来看这个热数据的时候，他们就是直接从内存里搜索了，很快。

或者是电商，你可以将平时查看最多的一些商品，比如说 iPhone 8，热数据提前后台搞个程序，每隔 1 分钟自己主动访问一次，刷到 Filesystem Cache 里去。

总之，就是对于那些你觉得比较热的、经常会有人访问的数据，最好做一个专门的缓存预热子系统。

然后对热数据每隔一段时间，就提前访问一下，让数据进入 Filesystem Cache 里面去。这样下次别人访问的时候，性能一定会好很多。

冷热分离

ES 可以做类似于 MySQL 的水平拆分，就是说将大量的访问很少、频率很低的数据，单独写一个索引，然后将访问很频繁的热数据单独写一个索引。

最好是将冷数据写入一个索引中，然后热数据写入另外一个索引中，这样可以确保热数据在被预热之后，尽量都让他们留在 Filesystem OS Cache 里，别让冷数据给冲刷掉。

还是来一个例子，假设你有 6 台机器，2 个索引，一个放冷数据，一个放热数据，每个索引 3 个 Shard。3 台机器放热数据 Index，另外 3 台机器放冷数据 Index。

这样的话，你大量的时间是在访问热数据 Index，热数据可能就占总数据量的 10%，此时数据量很少，几乎全都保留在 Filesystem Cache 里面了，就可以确保热数据的访问性能是很高的。

但是对于冷数据而言，是在别的 Index 里的，跟热数据 Index 不在相同的机器上，大家互相之间都没什么联系了。

如果有人访问冷数据，可能大量数据是在磁盘上的，此时性能差点，就 10% 的人去访问冷数据，90% 的人在访问热数据，也无所谓了。

ES中的关联查询

对于 MySQL，我们经常有一些复杂的关联查询，在 ES 里该怎么玩儿？

ES 里面的复杂的关联查询尽量别用，一旦用了性能一般都不太好。最好是先在 Java 系统里就完成关联，将关联好的数据直接写入 ES 中。搜索的时候，就不需要利用 ES 的搜索语法来完成 Join 之类的关联搜索了。

Document 模型设计

Document 模型设计是非常重要的，很多操作，不要在搜索的时候才想去执行各种复杂的乱七八糟的操作。

ES 能支持的操作就那么多，不要考虑用 ES 做一些它不好操作的事情。如果真的有那种操作，尽量在 Document 模型设计的时候，写入的时候就完成。

另外对于一些太复杂的操作，比如 join/nested/parent-child 搜索都要尽量避免，性能都很差的。

分页性能优化

ES 的分页是较坑的，为啥呢？举个例子吧，假如你每页是 10 条数据，你现在要查询第 100 页，实际上是会把每个 Shard 上存储的前 1000 条数据都查到一个协调节点上。

如果你有 5 个 Shard，那么就有 5000 条数据，接着协调节点对这 5000 条数据进行一些合并、处理，再获取到最终第 100 页的 10 条数据。

由于是分布式的，你要查第 100 页的 10 条数据，不可能说从 5 个 Shard，每个 Shard 就查 2 条数据，最后到协调节点合并成 10 条数据吧？

你必须得从每个 Shard 都查 1000 条数据过来，然后根据你的需求进行排序、筛选等等操作，最后再次分页，拿到里面第 100 页的数据。

你翻页的时候，翻的越深，每个 Shard 返回的数据就越多，而且协调节点处理的时间越长，非常坑爹。所以用 ES 做分页的时候，你会发现越翻到后面，就越是慢。

我们之前也是遇到过这个问题，用 ES 作分页，前几页就几十毫秒，翻到 10 页或者几十页的时候，基本上就要 5~10 秒才能查出来一页数据了。

有什么解决方案吗？两个思路：

一、不允许深度分页（默认深度分页性能很差）。跟产品经理说，你系统不允许翻那么深的页，默认翻的越深，性能就越差。

二、类似于 App 里的推荐商品不断下拉出来一页一页的；类似于微博中，下拉刷微博，刷出来一页一页的，你可以用 Scroll API，关于如何使用，大家可以自行上网搜索学习一下。

Scroll是如何做的呢？它会一次性给你生成所有数据的一个快照，然后每次滑动向后翻页就是通过游标 scroll_id 移动，获取下一页、下一页这样子，性能会比上面说的那种分页性能要高很多很多，基本上都是毫秒级的。

但是，唯一的一点就是，这个适合于那种类似微博下拉翻页的，不能随意跳到任何一页的场景。也就是说，你不能先进入第 10 页，然后去第 120 页，然后又回到第 58 页，不能随意乱跳页。

所以现在很多产品，都是不允许你随意翻页的，你只能往下拉，一页一页的翻。

使用时需要注意，初始化必须指定 Scroll 参数，告诉 ES 要保存此次搜索的上下文多长时间。你需要确保用户不会持续不断翻页翻几个小时，否则可能因为超时而失败。

除了用 Scroll API，你也可以用 search_after 来做。search_after 的思想是使用前一页的结果来帮助检索下一页的数据。

显然，这种方式也不允许你随意翻页，你只能一页页往后翻。初始化时，需要使用一个唯一值的字段作为 Sort 字段。

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