Elasticsearch原理解析与性能调优
基本概念
定义
- 一个分布式的实时文档存储，每个字段 可以被索引与搜索
- 一个分布式实时分析搜索引擎
- 能胜任上百个服务节点的扩展，并支持 PB 级别的结构化或者非结构化数据
用途
- 全文检索
- 结构化搜索
- 分析
VS传统数据库
- 传统数据库
- 提供精确匹配
- ES
- 提供精确匹配
- 全文检索
- 处理同义词
- 给文档相关性评分
- 生成分析与聚合数据
- 实时
专有名词
-
索引（名词）
类似于数据库
-
索引（动词）
类似于insert。例如索引一个文档到一个索引
-
倒排索引
默认每个属性都会有一个倒排索引，可以设置属性不被索引，它只能被覆盖，不能被修改
-
类型
类似表，同一索引的不同类型，可以拥有不同的字段，但应该拥有大部分相似的字段。它可以包含大小写，不能包含句号，不能以下划线开头，长度限制为256.
-
Id
文档的id，可以在生成文档时指定或自动生成，自动生成的ID，在大部分情况下多个节点的时候唯一。如果在创建文档时，ID冲突，服务器会返回409
-
文档
类似于记录，文档只能被替换，而不能被修改，文档的字段类型需要一致，否则无法进行精确匹配
-
精确值字段
对于数字，日期，布尔和一个not_analyzed字段，进行查询，会适用精确匹配
-
全文搜索字段
否则，进行相关性搜索
PUT /megacorp/employee/1
{
"first_name" : "John",
"last_name" : "Smith",
"age" : 25,
"about" : "I love to go rock climbing",
"interests": [ "sports", "music" ]
}
例如
- megacorp是索引
- employee是类型
- 1是文档id
- json内容是文档
交互
RESTful API
curl -X<VERB> '<PROTOCOL>://<HOST>:<PORT>/<PATH>?<QUERY_STRING>' -d '<BODY>'
VERB |
适当的 HTTP 方法 或 谓词 : GET、 POST、 PUT、 HEAD 或者 DELETE。 |
|---|---|
PROTOCOL |
http 或者 https（如果你在 Elasticsearch 前面有一个 https 代理） |
HOST |
Elasticsearch 集群中任意节点的主机名，或者用 localhost 代表本地机器上的节点。 |
PORT |
运行 Elasticsearch HTTP 服务的端口号，默认是 9200 。 |
PATH |
API 的终端路径（例如 _count 将返回集群中文档数量）。Path 可能包含多个组件，例如：_cluster/stats 和 _nodes/stats/jvm 。 |
QUERY_STRING |
任意可选的查询字符串参数 (例如 ?pretty 将格式化地输出 JSON 返回值，使其更容易阅读) |
BODY |
一个 JSON 格式的请求体 (如果请求需要的话) |
例子
request:
curl -XGET 'http://localhost:9200/_count?pretty' -d '
{
"query": {
"match_all": {}
}
}
'
response:
{
"count" : 0,
"_shards" : {
"total" : 5,
"successful" : 5,
"failed" : 0
}
}
检索文档功能
-
获取一个文档
GET /megacorp/employee/1 -
简单查询
GET /megacorp/employee/_search #查询前十条记录GET /megacorp/employee/_search?q=last_name:Smith #查询smith的前十条记录 -
表达式查询
GET /megacorp/employee/_search { "query" : { "match" : { "last_name" : "Smith" } } }GET /megacorp/employee/_search { "query" : { "bool": { "must": { "match" : { "last_name" : "smith" } }, "filter": { "range" : { "age" : { "gt" : 30 } } } } } } -
全文检索
GET /megacorp/employee/_search { "query" : { "match" : { "about" : "rock climbing" } } } -
短语查询
GET /megacorp/employee/_search { "query" : { "match_phrase" : { "about" : "rock climbing" } } } -
分析（类似于聚合group by）
request:
GET /megacorp/employee/_search { "aggs" : { "all_interests" : { "terms" : { "field" : "interests" }, "aggs" : { "avg_age" : { "avg" : { "field" : "age" } } } } } }response:
... "all_interests": { "buckets": [ { "key": "music", "doc_count": 2, "avg_age": { "value": 28.5 } }, { "key": "forestry", "doc_count": 1, "avg_age": { "value": 35 } }, { "key": "sports", "doc_count": 1, "avg_age": { "value": 25 } } ] } -
修改文档
PUT /website/blog/123 { "title": "My first blog entry", "text": "I am starting to get the hang of this...", "date": "2014/01/02" }旧文档不会马上删掉
新文档会被索引
文档的version会加一
-
删除文档
DELETE /megacorp/employee/123文档的version依然会加一
分布式特性
ES自动执行的分布式动作
- 分配文档到不同的容器 或 分片 中，文档可以储存在一个或多个节点中
- 按集群节点来均衡分配这些分片，从而对索引和搜索过程进行负载均衡
- 复制每个分片以支持数据冗余，从而防止硬件故障导致的数据丢失
- 将集群中任一节点的请求路由到存有相关数据的节点
- 集群扩容时无缝整合新节点，重新分配分片以便从离群节点恢复
水平扩展VS垂直扩展
ES对水平扩展是友好的，通过购置更多的机器，可以更好的使用ES的分布式功能
集群
集群拥有一个或多个节点，当有节点加入或者退出集群时，集群会重新平均分配所有数据的分布
主节点功能
-
增加/删除索引
-
增加/删除节点
不涉及文档的变更和搜索，因此单一的主节点不会成为集群的性能瓶颈
索引分片的元数据在每个ES节点都有存储，每个节点在接到请求后，都知道到哪台ES node找到数据，通过转发请求到ES node所在的机器
一个分片的最大文档数：(2^31-128)
一个索引的主分片数在建立时被确定，且无法修改：因为文档的存储是用shard = hash(routing) % number_of_primary_shards来确定文档的位置的。routing默认是id，也可以自定义
分片的副本数可以随时修改
建立索引
PUT /blogs
{
"settings" : {
"number_of_shards" : 3,
"number_of_replicas" : 1
}
}
故障转移
增加一台机器到集群
删除节点
分布式写入冲突
对于多个client的写入ES，有可能造成写入冲突，导致数据的丢失
在一些场景下，数据丢失是可以接受的
但是在某些场景下，是不允许的。
悲观控制并发
传统数据库的控制方式。通过对记录加锁，来实现并发的串行执行
乐观并发控制
ES采用乐观控制
所谓乐观控制，就是服务器假设大部分情况下，是不会发生冲突的，如果发生冲突，则拒绝修改，客户端可以需要通过重新获取并重试进行处理。
过程如下图
分布式文档存储
确定文档位于那个shard
shard = hash(routing) % number_of_primary_shards
API支持带routing参数，来自定义路由，来确保相关文档路由到同一个分片
以ID新建，写入和删除文档
一致性保证
- none: 主分片活跃，允许写入
- all: 在所有分片活跃，允许写入
- quorum: 半数以上节点活跃，允许写入
如果暂时没有足够的分片活跃，ES会等待，默认等待1分钟，可以通过参数timeout改变这个值，如果超时，则失败返回
新索引默认有
1个副本分片，这意味着为满足规定数量应该 需要两个活动的分片副本。 但是，这些默认的设置会阻止我们在单一节点上做任何事情。为了避免这个问题，要求只有当number_of_replicas大于1的时候，规定数量才会执行。
以ID检索文档
与上图类似
以ID更新文档
与上图类似，但在更新完文档后，会重建索引
在局部更新文档的时候，主分片会以整份文档来同步给副本，来保证数据的完整性
通过条件获取多个文档
搜索
返回特殊字段
GET /_search
{
"hits" : {
"total" : 14,
"hits" : [
{
"_index": "us",
"_type": "tweet",
"_id": "7",
"_score": 1,
"_source": {
"date": "2014-09-17",
"name": "John Smith",
"tweet": "The Query DSL is really powerful and flexible",
"user_id": 2
}
},
... 9 RESULTS REMOVED ...
],
"max_score" : 1
},
"took" : 4,
"_shards" : {
"failed" : 0,
"successful" : 10,
"total" : 10
},
"timed_out" : false
}
-
took
执行的毫秒数
-
_shards
查询分片的状态，例如有几个分片是失败的，几个是成功的
-
timeout
可以通过在查询设定超时，如果查询超过时间，则只返回已经成功获得的数据，剩余的数据将丢弃
-
_index
数据来源的Lucene索引，文档的每一个字段，都拥有一个不同的Lucene索引
在查询中可以指定Lucene的索引，默认是不指定的，所以会查询该文档的所有索引，并汇总结果。如果指定，则会限定仅在指定的Lucene索引中查询数据
分页
GET /_search?size=5&from=5
此方式只适用于浅分页，如果查询过深，会导致严重的性能问题。
因为例如查询size为5，from=10000。那么ES会从各分片中都查询10005条记录，如果有100个shard，那么就会有100*10005条记录，ES再对这100*10005排序，并仅返回5条记录
深分页
使用游标scroll
它在ES中建立了一个有有效期的快照，提供给scroll进行数据的深度查询
倒排索引
对一下文档进行倒排：
- The quick brown fox jumped over the lazy dog
- Quick brown foxes leap over lazy dogs in summer
得到：
Term Doc_1 Doc_2
-------------------------
Quick | | X
The | X |
brown | X | X
dog | X |
dogs | | X
fox | X |
foxes | | X
in | | X
jumped | X |
lazy | X | X
leap | | X
over | X | X
quick | X |
summer | | X
the | X |
------------------------
倒排面临的挑战
- Quick跟quick，用户有可能认为它们是相同的，也有可能认为是不同的
- dog和dogs非常接近，在相关性搜索时，它们应该都被搜索到
- jump和leap是同义词，在相关性搜索时，它们应该都被搜索到
理解相关性
相关性的分数是一个模糊的概念。没有精确值，没有唯一正确的答案。是一种根据各种规则对文档进行的一种量化的估计。
它评分的准则如下：
-
检索词频率
检索词在该字段出现的频率越高，分数越高
-
反向文档频率
检索词在索引出现的频率越高，分数越低
-
字段长度准则
字段的长度越长，分数越低
相关性破坏
在使用全文检索某个关键字的时候，会出现，相关度低的文档的得分高于相关度高的文档的得分。
例如检索词milk。索引内有两个主分片，milk在P1出现了5次，在P2出现了6次。由于P1和P2的词分布不一样。
P1的词量比P2的词量高，那么milk算在P1出现占比小，导致在P1得相关性得分高，而在P2，占比da，导致在P2的相关性得分低。
原因
是因为局部数据分布不均匀导致的
解决方法
- 插入更多的文档
- 使用?search_type=dfs_query_then_fetch进行全局评分。但会有严重的性能问题。不推荐使用。
查询过滤bitset
每次使用检索词查询，都会为检索词建立一个bitset，bitset包含了匹配的文档的序号。在热搜索的检索词，ES会对这些bitset有针对的进行缓存，而不用在再次查询的时候，重新查找倒排索引。
对于多个查询可以有下图
当倒排索引重建的时候，bitset在缓存会自动失效
缓存的策略
- 最近256次被使用的bitset，会被缓存
- 段内记录小于1w的，不会被缓存
索引管理
创建索引
可以显式创建，也可以隐式创建。
在大集群下，索引的创建，涉及元数据的同步，有可能导致集群负载的大量增加。此时需要禁用索引的隐式创建
action.auto_create_index: false
删除索引
删除索引，会涉及大量数据的删除，如果用户意外地试图通过一条命令，把所有索引删掉，这可能导致可怕的后果
通过禁用此操作，可以设置如下
action.destructive_requires_name: true
分析器
每个索引都可以设置自己的分析器，分析器的用途主要是在全文索引上面，通过对不同的语言，使用不同的分词，不同的词转换来构造倒排索引和计算相关性。
分片
倒排索引的不变性
好处
- 一旦被读入系统缓存，就会一直留在那里，直到LRU算法把不常用的倒排索引剔除。这对ES的读取性能提供了非常大的提升
不好
- 新的文档加入，不能增量更新，只能重建索引并替换
如何保证新数据能实时能查询到
用更多的索引。
对于新的文档，不马上重建索引，而是通过新增额外的索引。在查询数据时，通过轮询所有的索引，并合并结果返回。
ES并不是严格意义上的实时，准确来说是准实时，由于data从插入到建立倒排索引这段时间，新数据是不能访问的
聚合
像数据库的group by。只是语法不一样。功能相通
应用层性能调优
调大 refresh interval
默认刷新时间是1s，每次刷新都会有一次磁盘写入，并创建一个新的段。通过设置更大的刷新时间，可以让磁盘写入的次数更低，写入的段更大。减少段合并的次数。
禁止OS把ES置换出去
OS的内核会在内存紧张的时候，把进程置换到外村。而对于性能跟内存强相关的ES来说，置换到外存是致命的。通过设置进程在内核的参数，禁止置换，可以避免OS的这种动作
预留大量的文件系统缓存给ES
由于ES大部分数据的不变性，使得ES的大部分磁盘操作，都可以通过文件系统的缓存来加快速度。一旦ES的倒排索引和数据缓存到系统，如果没有其他进程的干扰，而且是比较频繁访问的数据，则会一直驻留在系统缓存，使得ES的大部分操作都是走内存的。一般来说，分配一半的内存给文件系统，是合适的。
使用自动生成ID
如果指定ID，ES会在集群内检查是否ID已经存在，这对大集群来说，是昂贵的。如果ID是自动生成的，ES会跳过检查，直接插入文档
更好的硬件
- 更大的内存
- SSD
- 本地磁盘
不要使用join关联查询
ES不适合做关联查询，会导致严重的性能问题。
如果业务一定要join，可以把关联的数据都写到一个索引内，或者通过应用程序来做关联的动作。
强制merge只读索引
merge成一个单一的段，会得到更好的性能
增加副本
有更多的机器，通过提高副本数，可以提高读效率
不要返回大数据
ES不适合这场景
避免稀疏
不要把不相关的信息存入同一个索引
数据预热
对于热点数据，可以通过一个客户端请求ES，让数据先占据filesystem cache。
冷热数据分离
冷热数据部署在不同的机器，可以让热数据在缓存内不会被冷数据冲走
内核层性能调优
限流
如果ES出现高负载的请求，ES的协调节点会累积大量的请求在内存在等待处理，随着请求数的增加，协调节点的内存占用会越来越大，最后导致OOM。
通过限流，可以有效缓解。
大查询
如果客户端发来了一个复杂的查询，使得需要返回的数据异常的大，这也会导致OOM问题。
通过修改内核，让如果请求的内存占用超过系统可以承受的范围，则截断来解决
FST过大引发OOM
FST是对倒排索引在内存的索引，它通过前缀状态机的方法，快速的定位检索词在倒排索引的磁盘位置，达到减少磁盘访问次数而加快检索速度的目的。
但由于FST是常驻内存的，如果倒排索引达到一定规模时，FST必然会引起OOM问题。而且FST是存放在JVM堆内内存的。堆内内存的上限时32G。
而10 TB的数据就需要10G到15G的内存来存放FST。
- 通过把FST的存储放到堆外内存
- 通过LRU算法来管理FST，对不常用的FST置换出内存
- 修改ES访问FST的逻辑，使得ES可以从堆内直接访问堆外的FST
- 在堆内增加FST的cache，加快命中速度
Ref:
