elasticsearch 面试总结（一）

es 读数据过程

可以通过 doc id 来查询，会根据 doc id 进行 hash，判断出来当时把 doc id 分配到了哪个 shard 上面去，从那个 shard 去查询。

• 客户端发送请求到任意一个 node，成为 coordinate node。

• coordinate node 对 doc id 进行哈希路由，将请求转发到对应的 node，此时会使用 round-robin随机轮询算法，在 primary shard 以及其所有 replica 中随机选择一个，让读请求负载均衡。

• 接收请求的 node 返回 document 给 coordinate node。

• coordinate node 返回 document 给客户端。

• es 读数据过程

  可以通过 doc id 来查询，会根据 doc id 进行 hash，判断出来当时把 doc id 分配到了哪个 shard 上面去，从那个 shard 去查询。

  • 客户端发送请求到任意一个 node，成为 coordinate node。

  • coordinate node 对 doc id 进行哈希路由，将请求转发到对应的 node，此时会使用 round-robin随机轮询算法，在 primary shard 以及其所有 replica 中随机选择一个，让读请求负载均衡。

  • 接收请求的 node 返回 document 给 coordinate node。

  • coordinate node 返回 document 给客户端。

  写请求是写入 primary shard，然后同步给所有的 replica shard；读请求可以从 primary shard 或 replica shard 读取，采用的是随机轮询算法

 

写数据底层原理

 

 

 

1）document先写入导内存buffer中，同时写translog日志

 

2)）https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/near-real-time.html

 

refresh操作所以近实时搜索：写入和打开一个新段(一个追加的倒排索引)的轻量的过程叫做 refresh 。每隔一秒钟把buffer中的数据创建一个新的segment，这里新段会被先写入到文件系统缓存--这一步代价会比较低，稍后再被刷新到磁盘--这一步代价比较高。不过只要文件已经在缓存中， 就可以像其它文件一样被打开和读取了，内存buffer被清空。此时，新segment 中的文件就可以被搜索了，这就意味着document从被写入到可以被搜索需要一秒种，如果要更改这个属性，可以执行以下操作

 

PUT /my_index
{
  "settings": {
    "refresh_interval": "30s" 
  }
}
3）https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/translog.html

 

flush操作导致持久化变更：执行一个提交并且截断 translog 的行为在 Elasticsearch 被称作一次 flush。刷新（refresh）完成后, 缓存被清空但是事务日志不会。translog日志也会越来越多，当translog日志大小大于一个阀值时候或30分钟，会出发flush操作。

 

• 所有在内存缓冲区的文档都被写入一个新的段。
• 缓冲区被清空。
• 一个提交点被写入硬盘。（表明有哪些segment commit了）
• 文件系统缓存通过 fsync 到磁盘。
• 老的 translog 被删除。

 

分片每30分钟被自动刷新（flush），或者在 translog 太大的时候也会刷新。也可以用_flush命令手动执行。

 

translog每隔5秒会被写入磁盘（所以如果这5s，数据在cache而且log没持久化会丢失）。在一次增删改操作之后translog只有在replica和primary shard都成功才会成功，如果要提高操作速度，可以设置成异步的

 

PUT /my_index
{
  "settings": {
    "index.translog.durability": "async" ,

 

    "index.translog.sync_interval":"5s"
  }
}

 

所以总结是有三个批次操作，一秒做一次refresh保证近实时搜索，5秒做一次translog持久化保证数据未持久化前留底，30分钟做一次数据持久化。

 

2.基于translog和commit point的数据恢复

 

在磁盘上会有一个上次持久化的commit point，translog上有一个commit point，根据这两个commit point，会把translog中的变更记录进行回放，重新执行之前的操作

 

3.不变形下的删除和更新原理

 

https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/dynamic-indices.html#deletes-and-updates

 

一个文档被 “删除” 时，它实际上只是在 .del 文件中被 标记 删除。一个被标记删除的文档仍然可以被查询匹配到， 但它会在最终结果被返回前从结果集中移除。

 

文档更新也是类似的操作方式：当一个文档被更新时，旧版本文档被标记删除，文档的新版本被索引到一个新的段中。 可能两个版本的文档都会被一个查询匹配到，但被删除的那个旧版本文档在结果集返回前就已经被移除。

 

段合并的时候会将那些旧的已删除文档 从文件系统中清除。 被删除的文档（或被更新文档的旧版本）不会被拷贝到新的大段中。

 

4.merge操作，段合并

https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/merge-process.html

由于每秒会把buffer刷到segment中，所以segment会很多，为了防止这种情况出现，es内部会不断把一些相似大小的segment合并，并且物理删除del的segment。

当然也可以手动执行

POST /my_index/_optimize?max_num_segments=1，尽量不要手动执行，让它自动默认执行就可以了
 

5.当你正在建立一个大的新索引时（相当于直接全部写入buffer，先不refresh，写完再refresh），可以先关闭自动刷新，待开始使用该索引时，再把它们调回来：

PUT /my_logs/_settings
{ "refresh_interval": -1 } 

PUT /my_logs/_settings
{ "refresh_interval": "1s" } 

 

底层 lucene

简单来说，lucene 就是一个 jar 包，里面包含了封装好的各种建立倒排索引的算法代码。我们用 Java 开发的时候，引入 lucene jar，然后基于 lucene 的 api 去开发就可以了。

通过 lucene，我们可以将已有的数据建立索引，lucene 会在本地磁盘上面，给我们组织索引的数据结构。

 

倒排索引

 

在搜索引擎中，每个文档都有一个对应的文档 ID，文档内容被表示为一系列关键词的集合。例如，文档 1 经过分词，提取了 20 个关键词，每个关键词都会记录它在文档中出现的次数和出现位置。

 

详细描述一下Elasticsearch索引文档的过程。

• 协调节点默认使用文档ID参与计算（也支持通过routing），以便为路由提供合适的分片

  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，会将请求写入到Memory Buffer，然后定时（默认是每隔1秒）写入到Filesystem Cache，这个从Momery Buffer到Filesystem Cache的过程就叫做refresh；
  当然在某些情况下，存在Momery Buffer和Filesystem Cache的数据可能会丢失，ES是通过translog的机制来保证数据的可靠性的。其实现机制是接收到请求后，同时也会写入到translog中，当Filesystem cache中的数据写入到磁盘中时，才会清除掉，这个过程叫做flush；
  在flush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。
  flush触发的时机是定时触发（默认30分钟）或者translog变得太大（默认为512M）时；
  
  

7.Elasticsearch在部署时，对Linux的设置有哪些优化方法？

    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。

 

1、elasticsearch了解多少，说说你们公司es的集群架构，索引数据大小，分片有多少，以及一些调优手段 。

面试官：想了解应聘者之前公司接触的ES使用场景、规模，有没有做过比较大规模的索引设计、规划、调优。

解答：

如实结合自己的实践场景回答即可。

比如：ES集群架构13个节点，索引根据通道不同共20+索引，根据日期，每日递增20+，索引：10分片，每日递增1亿+数据，

每个通道每天索引大小控制：150GB之内。

 

仅索引层面调优手段：

1.1、设计阶段调优

1）根据业务增量需求，采取基于日期模板创建索引，通过roll over API滚动索引；

2）使用别名进行索引管理；

3）每天凌晨定时对索引做force_merge操作，以释放空间；

4）采取冷热分离机制，热数据存储到SSD，提高检索效率；冷数据定期进行shrink操作，以缩减存储；

5）采取curator进行索引的生命周期管理；

6）仅针对需要分词的字段，合理的设置分词器；

7）Mapping阶段充分结合各个字段的属性，是否需要检索、是否需要存储等。 …

 

1.2、写入调优

1）写入前副本数设置为0；

2）写入前关闭refresh_interval设置为-1，禁用刷新机制；

3）写入过程中：采取bulk批量写入；

4）写入后恢复副本数和刷新间隔；

5）尽量使用自动生成的id。

 

1.3、查询调优

1）禁用wildcard；

2）禁用批量terms（成百上千的场景）；

3）充分利用倒排索引机制，能keyword类型尽量keyword；

4）数据量大时候，可以先基于时间敲定索引再检索；

5）设置合理的路由机制。

 

1.4、其他调优

部署调优，业务调优等。

上面的提及一部分，面试者就基本对你之前的实践或者运维经验有所评估了。

 

2、elasticsearch的倒排索引是什么？

面试官：想了解你对基础概念的认知。

解答：通俗解释一下就可以。

传统的我们的检索是通过文章，逐个遍历找到对应关键词的位置。

而倒排索引，是通过分词策略，形成了词和文章的映射关系表，这种词典+映射表即为倒排索引。

有了倒排索引，就能实现o（1）时间复杂度的效率检索文章了，极大的提高了检索效率。

 

学术的解答方式：

倒排索引，相反于一篇文章包含了哪些词，它从词出发，记载了这个词在哪些文档中出现过，由两部分组成——词典和倒排表。

加分项：倒排索引的底层实现是基于：FST（Finite State Transducer）数据结构。

lucene从4+版本后开始大量使用的数据结构是FST。FST有两个优点：

1）空间占用小。通过对词典中单词前缀和后缀的重复利用，压缩了存储空间；

2）查询速度快。O(len(str))的查询时间复杂度。

 

3、elasticsearch 索引数据多了怎么办，如何调优，部署？

面试官：想了解大数据量的运维能力。

解答：索引数据的规划，应在前期做好规划，正所谓“设计先行，编码在后”，这样才能有效的避免突如其来的数据激增导致集群处理能力不足引发的线上客户检索或者其他业务受到影响。

如何调优，正如问题1所说，这里细化一下：

3.1 动态索引层面

基于模板+时间+rollover api滚动创建索引，举例：设计阶段定义：blog索引的模板格式为：blog_index_时间戳的形式，每天递增数据。

这样做的好处：不至于数据量激增导致单个索引数据量非常大，接近于上线2的32次幂-1，索引存储达到了TB+甚至更大。

一旦单个索引很大，存储等各种风险也随之而来，所以要提前考虑+及早避免。

3.2 存储层面

冷热数据分离存储，热数据（比如最近3天或者一周的数据），其余为冷数据。

对于冷数据不会再写入新数据，可以考虑定期force_merge加shrink压缩操作，节省存储空间和检索效率。

3.3 部署层面

一旦之前没有规划，这里就属于应急策略。

结合ES自身的支持动态扩展的特点，动态新增机器的方式可以缓解集群压力，注意：如果之前主节点等规划合理，不需要重启集群也能完成动态新增的。

 

4、elasticsearch是如何实现master选举的？

面试官：想了解ES集群的底层原理，不再只关注业务层面了。

解答：

前置前提：

1）只有候选主节点（master：true）的节点才能成为主节点。

2）最小主节点数（min_master_nodes）的目的是防止脑裂。

这个我看了各种网上分析的版本和源码分析的书籍，云里雾里。

核对了一下代码，核心入口为findMaster，选择主节点成功返回对应Master，否则返回null。选举流程大致描述如下：

第一步：确认候选主节点数达标，elasticsearch.yml设置的值discovery.zen.minimum_master_nodes；

第二步：比较：先判定是否具备master资格，具备候选主节点资格的优先返回；若两节点都为候选主节点，则id小的值会主节点。注意这里的id为string类型。

题外话：获取节点id的方法。

1、GET /_cat/nodes?v&h=ip,port,heapPercent,heapMax,id,name

2、ip        port heapPercent heapMax id  name

3、127.0.0.1 9300          39  1.9gb Hk9w Hk9wFwU

 

5、详细描述一下Elasticsearch索引文档的过程？

面试官：想了解ES的底层原理，不再只关注业务层面了。

解答：

这里的索引文档应该理解为文档写入ES，创建索引的过程。

文档写入包含：单文档写入和批量bulk写入，这里只解释一下：单文档写入流程。

记住官方文档中的这个图。

第一步：客户写集群某节点写入数据，发送请求。（如果没有指定路由/协调节点，请求的节点扮演路由节点的角色。）

第二步：节点1接受到请求后，使用文档_id来确定文档属于分片0。请求会被转到另外的节点，假定节点3。因此分片0的主分片分配到节点3上。

第三步：节点3在主分片上执行写操作，如果成功，则将请求并行转发到节点1和节点2的副本分片上，等待结果返回。所有的副本分片都报告成功，节点3将向协调节点（节点1）报告成功，节点1向请求客户端报告写入成功。

如果面试官再问：第二步中的文档获取分片的过程？

回答：借助路由算法获取，路由算法就是根据路由和文档id计算目标的分片id的过程。

shard = hash(_routing) % (num_of_primary_shards)

 

6、详细描述一下Elasticsearch搜索的过程？

面试官：想了解ES搜索的底层原理，不再只关注业务层面了。

解答：

搜索拆解为“query then fetch” 两个阶段。

query阶段的目的：定位到位置，但不取。

步骤拆解如下：

1）假设一个索引数据有5主+1副本 共10分片，一次请求会命中（主或者副本分片中）的一个。

2）每个分片在本地进行查询，结果返回到本地有序的优先队列中。

3）第2）步骤的结果发送到协调节点，协调节点产生一个全局的排序列表。

fetch阶段的目的：取数据。

路由节点获取所有文档，返回给客户端。

 

7、Elasticsearch在部署时，对Linux的设置有哪些优化方法？

面试官：想了解对ES集群的运维能力。

解答：

1）关闭缓存swap;

2）堆内存设置为：Min（节点内存/2, 32GB）;

3)设置最大文件句柄数；

4）线程池+队列大小根据业务需要做调整；

5）磁盘存储raid方式——存储有条件使用RAID10，增加单节点性能以及避免单节点存储故障。

 

8、lucence内部结构是什么？

面试官：想了解你的知识面的广度和深度。

解答：

Lucene是有索引和搜索的两个过程，包含索引创建，索引，搜索三个要点。可以基于这个脉络展开一些。

 

#小结

看到题目后，感觉熟悉又陌生。真正要在面试的时候讲出来，需要下一番功夫深入理解。

为了求证回答的相对准确性，我翻看了源码、官方文档和部分有深度的博文。

Elasticsearch路还很长，别无他法，唯有死磕！

题目来源：

https://github.com/randian666/algorithm-study#搜索

https://www.cnblogs.com/luckcs/articles/7052932.html

核心参考：

1、http://www.cnblogs.com/LBSer/p/4119841.html

2、https://blog.csdn.net/njpjsoftdev/article/details/54015485

3、https://elasticsearch.cn/book/elasticsearch_definitive_guide_2.x/distrib-write.html

4、http://www.cnblogs.com/forfuture1978/archive/2010/05/19/1738806.html

5、《Elasticsearch源码解析和优化实践》