十張圖說(shuō)清Elasticsearch原理！
說(shuō)到 Elasticsearch，其中最明顯的一個(gè)特點(diǎn)就是 near real-time 準(zhǔn)實(shí)時(shí)，當(dāng)文檔存儲(chǔ)在 Elasticsearch 中時(shí)，將在 1 秒內(nèi)以幾乎實(shí)時(shí)的方式對(duì)其進(jìn)行索引和完全搜索。那為什么說(shuō) ES 是準(zhǔn)實(shí)時(shí)的呢?
Lucene 和 ES
Lucene
Lucene 是 Elasticsearch所基于的 Java 庫(kù)，它引入了按段搜索的概念：
- Segment：也叫段，類似于倒排索引，相當(dāng)于一個(gè)數(shù)據(jù)集。
- Commit point：提交點(diǎn)，記錄著所有已知的段。
- Lucene index：“a collection of segments plus a commit point”。由一堆 Segment 的集合加上一個(gè)提交點(diǎn)組成。
對(duì)于一個(gè) Lucene index 的組成，如下圖所示：
ES
一個(gè) Elasticsearch Index 由一個(gè)或者多個(gè) shard(分片)組成。
而 Lucene 中的 Lucene index 相當(dāng)于 ES 的一個(gè) shard。
寫入過(guò)程
寫入過(guò)程 1.0(不完善)
寫入過(guò)程 1.0 如下：
- 不斷將 Document 寫入到 In-memory buffer(內(nèi)存緩沖區(qū))。
- 當(dāng)滿足一定條件后內(nèi)存緩沖區(qū)中的 Documents 刷新到磁盤。
- 生成新的 segment 以及一個(gè) Commit point 提交點(diǎn)。
- 這個(gè) segment 就可以像其他 segment 一樣被讀取了。
畫圖如下：
將文件刷新到磁盤是非常耗費(fèi)資源的，而且在內(nèi)存緩沖區(qū)和磁盤中間存在一個(gè)高速緩存(cache)，一旦文件進(jìn)入到 cache 就可以像磁盤上的 segment 一樣被讀取了。
寫入過(guò)程 2.0
寫入過(guò)程 2.0 如下：
- 不斷將 Document 寫入到 In-memory buffer(內(nèi)存緩沖區(qū))。
- 當(dāng)滿足一定條件后內(nèi)存緩沖區(qū)中的 Documents 刷新到高速緩存(cache)。
- 生成新的 segment，這個(gè) segment 還在 cache 中。
- 這時(shí)候還沒(méi)有 commit，但是已經(jīng)可以被讀取了。
畫圖如下：
數(shù)據(jù)從 buffer 到 cache 的過(guò)程是定期每秒刷新一次。所以新寫入的 Document 最慢 1 秒就可以在 cache 中被搜索到。
而 Document 從 buffer 到 cache 的過(guò)程叫做 ?refresh。一般是 1 秒刷新一次，不需要進(jìn)行額外修改。
當(dāng)然，如果有修改的需要，可以參考文末的相關(guān)資料。這也就是為什么說(shuō) Elasticsearch 是準(zhǔn)實(shí)時(shí)的。
使文檔立即可見(jiàn)：
- PUT /test/_doc/1?refresh
- {"test": "test"}
- // 或者
- PUT /test/_doc/2?refresh=true
- {"test": "test"}
Translog 事務(wù)日志
此處可以聯(lián)想 MySQL 的 binlog，ES 中也存在一個(gè) translog 用來(lái)失敗恢復(fù)：
- Document 不斷寫入到 In-memory buffer，此時(shí)也會(huì)追加 translog。
- 當(dāng) buffer 中的數(shù)據(jù)每秒 refresh 到 cache 中時(shí)，translog 并沒(méi)有進(jìn)入到刷新到磁盤，是持續(xù)追加的。
- translog 每隔 5s 會(huì) fsync 到磁盤。
- translog 會(huì)繼續(xù)累加變得越來(lái)越大，當(dāng) translog 大到一定程度或者每隔一段時(shí)間，會(huì)執(zhí)行 flush。
flush 操作會(huì)分為以下幾步執(zhí)行：
- buffer 被清空。
- 記錄 commit point。
- cache 內(nèi)的 segment 被 fsync 刷新到磁盤。
- translog 被刪除。
值得注意的是：
- translog 每 5s 刷新一次磁盤，所以故障重啟，可能會(huì)丟失 5s 的數(shù)據(jù)。
- translog 執(zhí)行 flush 操作，默認(rèn) 30 分鐘一次，或者 translog 太大也會(huì)執(zhí)行。
手動(dòng)執(zhí)行 flush：
- POST /my-index-000001/_flush
刪除和更新
segment 不可改變，所以 docment 并不能從之前的 segment 中移除或更新。
所以每次 commit， 生成 commit point 時(shí)，會(huì)有一個(gè) .del 文件，里面會(huì)列出被刪除的 document(邏輯刪除)。
而查詢時(shí)，獲取到的結(jié)果在返回前會(huì)經(jīng)過(guò) .del 過(guò)濾。更新時(shí)，也會(huì)標(biāo)記舊的 docment 被刪除，寫入到 .del 文件，同時(shí)會(huì)寫入一個(gè)新的文件。
此時(shí)查詢會(huì)查詢到兩個(gè)版本的數(shù)據(jù)，但在返回前會(huì)被移除掉一個(gè)。
segment 合并
每 1s 執(zhí)行一次 refresh 都會(huì)將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)創(chuàng)建一個(gè) segment。
segment 數(shù)目太多會(huì)帶來(lái)較大的麻煩。每一個(gè) segment 都會(huì)消耗文件句柄、內(nèi)存和 cpu 運(yùn)行周期。
更重要的是，每個(gè)搜索請(qǐng)求都必須輪流檢查每個(gè) segment ;所以 segment 越多，搜索也就越慢。
在 ES 后臺(tái)會(huì)有一個(gè)線程進(jìn)行 segment 合并：
- refresh 操作會(huì)創(chuàng)建新的 segment 并打開(kāi)以供搜索使用。
- 合并進(jìn)程選擇一小部分大小相似的 segment，并且在后臺(tái)將它們合并到更大的 segment 中。這并不會(huì)中斷索引和搜索。
- 當(dāng)合并結(jié)束，老的 segment 被刪。
說(shuō)明合并完成時(shí)的活動(dòng)：
- 新的 segment 被刷新(flush)到了磁盤。 寫入一個(gè)包含新 segment 且排除舊的和較小的 segment的新 commit point。
- 新的 segment 被打開(kāi)用來(lái)搜索。
- 老的 segment 被刪除。
物理刪除：在 segment merge 這塊，那些被邏輯刪除的 document 才會(huì)被真正的物理刪除。
總結(jié)
主要介紹了內(nèi)部寫入和刪除的過(guò)程，需要了解 refresh、fsync、flush、.del、segment merge 等名詞的具體含義。
完整畫圖如下：
以上就是個(gè)人分享的 ES 相關(guān)的內(nèi)容，主要目的是組內(nèi)技術(shù)分享，進(jìn)行掃盲。不對(duì)之處，希望大家留言指正。
相關(guān)資料：
- 準(zhǔn)實(shí)時(shí)搜索：
https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/7.9/near-real-time.html
- Refresh API：
https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/7.9/indices-refresh.html
- Flush API：
https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/7.9/indices-flush.html
作者：劉志航
編輯：陶家龍
出處：轉(zhuǎn)載自公眾號(hào)劉志航(ID：liuzhihangs)
