ElasticSearch架构概述

ElasticSearch架构概述

ElasticSearch是现在技术前沿的大数据引擎，常见的组合有ES+Logstash+Kibana作为一套成熟的日志系统，其中Logstash是ETL工具，Kibana是数据分析展示平台。ES让人惊艳的是他强大的搜索相关能力和灾备策略，ES开放了一些接口供开发者研发自己的插件，ES结合中文分词的插件会给ES的搜索和分析起到很大的推动作用。ElasticSearch是使用开源全文检索库ApacheLucene进行索引和搜索的，说架构必须和Lucene的一些东西打交道。

关于Lucene：

ApacheLucene将写入索引的所有信息组织成一种倒排索引（Inverted Index）的结构之中，该结构是种将词项映射到文档的数据结构。其工作方式与传统的关系数据库不同，大致来说倒排索引是面向词项而不是面向文档的。且Lucene索引之中还存储了很多其他的信息，如词向量等等，每个Lucene都是由多个段构成的，每个段只会被创建一次但会被查询多次，段一旦创建就不会再被修改。多个段会在段合并的阶段合并在一起，何时合并由Lucene的内在机制决定，段合并后数量会变少，但是相应的段本身会变大。段合并的过程是非常消耗I/O的，且与之同时会有些不再使用的信息被清理掉。在Lucene中，将数据转化为倒排索引，将完整串转化为可用于搜索的词项的过程叫做分析。文本分析由分析器（Analyzer）来执行，分析其由分词器（Tokenizer），过滤器（Filter）和字符映射器（Character Mapper）组成，其各个功能显而易见。除此之外，Lucene有自己的一套完整的查询语言来帮助我们进行搜索和读写。

 [注]ES中的索引指的是查询/寻址时URI中的一个字段如：[host]：[port（9200）]/[index]/[type]/[ID]?[option]，而Lucene中的索引更多地和ES中的分片的概念相对应。

回到ElasticSearch，ES的架构遵循的设计理念有以下几个特征：

1. 合理的默认配置：只需修改节点中的Yaml配置文件，就可以迅捷配置。这和Spring4中对配置的简化有相似的地方。

2. 分布式工作模式：ES强大的Zen发现机制不仅支持组广播也支持点单播，且有“知一点即知天下”之妙。

3. 对等架构：节点之间自动备份分片，且使分片本身和样本之间尽量”远离“，可以避免单点故障。且Master节点和Data节点几乎完全等价。

4. 易于向集群扩充新节点：大大简化研发或运维将新节点加入集群所需的工作。

5. 不对索引中的数据结构增加任何限制：ES支持在一个索引之中存在多种数据类型。

6. 准实时：搜索和版本同步，由于ES是分布式应用，一个重大的挑战就是一致性问题，无论索引还是文档数据，然而事实证明ES表现优秀。

（一）分片策略

选择合适的分片数和副本数。ES的分片分为两种，主分片（Primary Shard）和副本（Replicas）。默认情况下，ES会为每个索引创建5个分片，即使是在单机环境下，这种冗余被称作过度分配（Over Allocation），目前看来这么做完全没有必要，仅在散布文档到分片和处理查询的过程中就增加了更多的复杂性，好在ES的优秀性能掩盖了这一点。假设一个索引由一个分片构成，那么当索引的大小超过单个节点的容量的时候，ES不能将索引分割成多份，因此必须在创建索引的时候就指定好需要的分片数量。此时我们所能做的就是创建一个新的索引，并在初始设定之中指定这个索引拥有更多的分片。反之如果过度分配，就增大了Lucene在合并分片查询结果时的复杂度，从而增大了耗时，所以我们得到了以下结论：

我们应该使用最少的分片！

主分片，副本和节点最大数之间数量存在以下关系：

节点数<=主分片数*（副本数+1）

 控制分片分配行为。以上是在创建每个索引的时候需要考虑的优化方法，然而在索引已创建好的前提下，是否就是没有办法从分片的角度提高了性能了呢？当然不是，首先能做的是调整分片分配器的类型，具体是在elasticsearch.yml中设置cluster.routing.allocation.type属性，共有两种分片器even_shard,balanced（默认）。even_shard是尽量保证每个节点都具有相同数量的分片，balanced是基于可控制的权重进行分配，相对于前一个分配器，它更暴漏了一些参数而引入调整分配过程的能力。

每次ES的分片调整都是在ES上的数据分布发生了变化的时候进行的，最有代表性的就是有新的数据节点加入了集群的时候。当然调整分片的时机并不是由某个阈值触发的，ES内置十一个裁决者来决定是否触发分片调整，这里暂不赘述。另外，这些分配部署策略都是可以在运行时更新的，更多配置分片的属性也请大家自行Google。

（二）路由优化

ES中所谓的路由和IP网络不同，是一个类似于Tag的东西。在创建文档的时候，可以通过字段为文档增加一个路由属性的Tag。ES内在机制决定了拥有相同路由属性的文档，一定会被分配到同一个分片上，无论是主分片还是副本。那么，在查询的过程中，一旦指定了感兴趣的路由属性，ES就可以直接到相应的分片所在的机器上进行搜索，而避免了复杂的分布式协同的一些工作，从而提升了ES的性能。于此同时，假设机器1上存有路由属性A的文档，机器2上存有路由属性为B的文档，那么我在查询的时候一旦指定目标路由属性为A，即使机器2故障瘫痪，对机器1构不成很大影响，所以这么做对灾况下的查询也提出了解决方案。所谓的路由，本质上是一个分桶（Bucketing）操作。当然，查询中也可以指定多个路由属性，机制大同小异。

（三）ES上的GC调优

ElasticSearch本质上是个Java程序，所以配置JVM垃圾回收器本身也是一个很有意义的工作。我们使用JVM的Xms和Xmx参数来提供指定内存大小，本质上提供的是JVM的堆空间大小，当JVM的堆空间不足的时候就会触发致命的OutOfMemoryException。这意味着要么内存不足，要么出现了内存泄露。处理GC问题，首先要确定问题的源头，一般有两种方案：

1. 开启ElasticSearch上的GC日志

2. 使用jstat命令

3. 生成内存Dump

关于第一条，在ES的配置文件elasticsearch.yml中有相关的属性可以配置，关于每个属性的用途这里当然说不完。

第二条，jstat命令可以帮助我们查看JVM堆中各个区的使用情况和GC的耗时情况。

第三条，最后的办法就是将JVM的堆空间转储到文件中去，实质上是对JVM堆空间的一个快照。

想了解更多关于JVM本身GC调优方法请参考：http://www.oracle.com/technetwork/java/javase/gc-tuning-6-140523.html

另外，通过修改ES节点的启动参数，也可以调整GC的方式，但是实质上和上述方法是等同的。

（四）避免内存交换

这一点很简单，由于操作系统的虚拟内存页交换机制，会给性能带来障碍，如数据写满内存会写入Linux中的Swap分区。

可以通过在elasticsearch.yml文件中的bootstrap.mlockall设置为true来实现，但是需要管理员权限，需要修改操作系统的相关配置文件。

（五）控制索引合并

上文提到过，ES中的分片和副本本质上都是Lucene索引，而Lucene索引又基于多个索引段构建（至少一个），索引文件中的绝大多数都是只被写一次，读多次，在Lucene内在机制控制下，当满足某种条件的时候多个索引段会被合并到一个更大的索引段，而那些旧的索引段会被抛弃并移除磁盘，这个操作叫做段合并。 

Lucene要执行段合并的理由很简单充分：索引段粒度越小，查询性能越低且耗费的内存越多。频繁的文档更改操作会导致大量的小索引段，从而导致文件句柄打开过多的问题，如修改系统配置，增大系统允许的最大文件打开数。总的来讲，当索引段由多一个合并为一个的时候，会减少索引段的数量从而提高ES性能。对于研发者来讲，我们所能做的就是选择合适的合并策略，尽管段合并完全是Lucene的任务，但随着Lucene开放更多配置借口，新版本的ES还是提供了三种合并的策略tiered，log_byte_size，log_doc。另外，ES也提供了两种Lucene索引段合并的调度器：concurrent和serial。其中各者具体区别，这里暂不赘述，只是抛砖引玉。