elasticsearch doc和segment原理

1.原文地址：https://blog.csdn.net/baichoufei90/article/details/82901270

 Elasticsearch学习-Doc与Segment原理

0x00 系列文章目录

Elasticsearch学习-关于倒排索引、DocValues、FieldData和全局序号

Elasticsearch学习-搜索调优

Elasticsearch学习-Doc原理

0x01 摘要

本文主要讲下ES中Doc（文档）和Segment（段）的底层原理。

0x02 Doc概念

2.1 术语介绍

首先我们说几个ES中跟Doc相关的概念，以免后面混淆：

Index（索引）

这里指ES的索引概念，有1个或多个type，由若干shard分片组成

Shard（分片）

是一个Lucene索引。一个ES Index分为多个Shard，可分布到不同节点上

Doc（文档）

ES中的最小的、整体的数据单位，比如一条用户订单信息是一个Doc。一个index中存放了很多Doc

Lucene Index

注意和Es Index区别。Lucene Index是由若干段和提交点文件组成。

Segment（段）

Lucene里面的一个数据集概念

提交点

有一个列表存放着所有已知的所有段

2.2 Doc简介

根据ES官网文档说法，术语“文档”具有特定含义。 它指的是序列化为JSON并以唯一ID存储在Elasticsearch中的顶级或根对象。

2.3 Doc元数据

Doc中包括以下几个重要字段：

_source

Doc的内容主体

_index

Doc从属的索引名称

_type

Doc从属的type名称，6.x版本中被废弃

_id

就像人的身份证号一样，_id是Doc的唯一编号

更多元数据字段可以点击这里

2.4 Doc底层原理简述

前面说过ES中的文档是带有字段和值的结构化JSON文档，对于每个被索引字段(field)都有自己的倒排索引。关于倒排索引更多信息可以点击这里。

注意，因为倒排索引被写入磁盘后是不可变的，而后会在使用时读入文件系统缓存，加快查询速度。如果你想修改一个Doc，那就必须重建整个待排索引。

ES解决不变形和更新索引的方式是使用多个索引，利用新增的索引来反映修改，在查询时从旧的到新的依次查询，最后来一个结果合并，perfect。

ES底层是基于Lucene，最核心的概念就是Segment(段)，每个段本身就是一个倒排索引。

ES中的Index由多个段的集合和commit point(提交点)文件组成。

提交点文件中有一个列表存放着所有已知的段，下面是一个带有1个提交点和3个段的Index示意图：

0x03 Doc新增

3.1 Doc提交过程

Doc提交主要过程如下：

3.1.1 Doc写入Buffer

Doc会先被搜集到内存中的Buffer内，这个时候还无法被搜索到，如下图所示：

3.1.2 Doc Commit

每隔一段时间，会将buffer提交，在flush磁盘后打开新段使得搜索可见，详细过程如下：

创建一个新段，作为一个追加的倒排索引，写入到磁盘（文件系统缓存）

将新的包含新段的Commit Point(提交点)写入磁盘（文件系统缓存）

磁盘进行fsync，主要是将文件系统缓存中等待的写入操作全部物理写入到磁盘，保证数据不会在发生错误时丢失

这个新的段被开启， 使得段内文档对搜索可见

将内存中buffer清除，又可以把新的Doc写入buffer了

下面展示了这个过程完成后的段和提交点的状态：

通过这种方式，可以使得新文档从被索引到可被搜索间的时间间隔在数分钟，但是还不够快。因为磁盘需要fsync，这个就成为性能瓶颈。我们前面提到过Doc会先被从buffer刷入段写入文件系统缓存（很快），那么就自然想到在这个阶段就让文档对搜索可见，随后再被刷入磁盘（较慢）。

3.2 refresh

Lucene支持对新段写入和打开-可以使文档在没有完全刷入硬盘的状态下就能对搜索可见，而且是一个开销较小的操作，可以频繁进行。

下面是一个已经将Docs刷入段但还没有完全提交的示意图：

我们可以看到，新段虽然还没有被完全提交，但是已经对搜索可见了。

这种对新段的巧妙操作过程被称为refresh，默认执行的时间间隔是1秒，这就是ES被称为近实时搜索的原因。

可以使用refreshAPI进行手动操作，但一般不建议这么做。还可以通过合理设置refresh_interval在近实时搜索和索引速度间做权衡，点击这里查看详情

3.3 translog

3.3.1 带有translog的文档索引流程

为了避免在两次commit操作间隔时间发生异常导致Doc丢失，ES中采用了一个和HBase中WAL log类似概念的translog，成为事务日志记录每次对ES的操作。加上translog后新增文档流程如下：

文档被添加到buffer同时追加到translog，如图：

进行refresh操作，清空buffer，文档可被搜索但尚未flush到磁盘。translog不会清空，如图：

继续步骤1的过程

每隔一段时间（例如translog变得太大），index会被flush到磁盘，新的translog文件被创建，这个commit完整执行结束。在这个操作后，会发生以下事件：

所有内存中的buffer会被写入新段

buffer被清空

一个提交点被写入磁盘

文件系统缓存通过fsync flush

之前的旧translog被删除

下面示意图展示了这个状态：

3.3.2 translog的作用

通过前文描述我们知道translog其实就记录了还尚未被flush到磁盘的操作。

当 Elasticsearch 启动的时候， 它会从磁盘中使用最后一个提交点去恢复已知的段，并且会重放 translog 中所有在最后一次提交后发生的变更操作。

translog 也被用来提供实时 CRUD 。当你试着通过ID来RUD一个Doc，它会在从相关的段检索之前先检查 translog 中最新的变更。

3.3.3 translog的安全性

默认translog是每5秒或是每次请求完成后被fsync到磁盘（在主分片和副本分片都会）。也就是说，如果你发起一个index, delete, update, bulk请求写入translog并被fsync到主分片和副本分片的磁盘前不会反回200状态。

这样会带来一些性能损失，可以通过设为异步fsync，但是必须接受由此带来的丢失少量数据的风险：

PUT /my_index/_settings

{

    "index.translog.durability": "async",

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

}

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关于translog的更多信息，请点击这里

3.4 flush

flush就是执行commit清空、干掉老translog的过程。默认每个分片30分钟或者是translog过于大的时候自动flush一次。可以通过flush API手动触发，但是只会在重启节点或关闭某个索引的时候这样做，因为这可以让未来ES恢复的速度更快(translog文件更小)。

0x04 Doc删除

4.1 ES对Doc删除的处理

删除一个ES文档不会立即从磁盘上移除，它只是被标记成已删除。因为段是不可变的，所以文档既不能从旧的段中移除，旧的段也不能更新以反映文档最新的版本。

ES的做法是，每一个提交点包括一个.del文件（还包括新段），包含了段上已经被标记为删除状态的文档。所以，当一个文档被做删除操作，实际上只是在.del文件中将该文档标记为删除，依然会在查询时被匹配到，只不过在最终返回结果之前会被从结果中删除。ES将会在用户之后添加更多索引的时候，在后台进行要删除内容的清理。

4.2 Doc删除与段合并的关系

通过每秒自动刷新创建新的段，用不了多久段的数量就爆炸了，每个段消费大量文件句柄，内存，cpu资源。更重要的是，每次搜索请求都需要依次检查每个段。段越多，查询越慢。

ES通过后台合并段解决这个问题。ES利用段合并的时机来真正从文件系统删除那些version较老或者是被标记为删除的文档。被删除的文档（或者是version较老的）不会再被合并到新的更大的段中。

ES对一个不断有数据写入的索引处理流程如下：

索引过程中，refresh会不断创建新的段，并打开它们。

合并过程会在后台选择一些小的段合并成大的段，这个过程不会中断索引和搜索。合并过程如图：

图：两个已提交的段 和一个未提交的段合并为一个更大的段

从上图可以看到，段合并之前，旧有的Commit和没Commit的小段皆可被搜索。

段合并后的操作:

新的段flush到硬盘

编写一个包含新段的新提交点，并排除旧的较小段。

新的段打开供搜索

旧的段被删除

合并完成后新的段可被搜索，旧的段被删除，如下图所示：

注意：段合并过程虽然看起来很爽，但是大段的合并可能会占用大量的IO和CPU，如果不加以控制，可能会大大降低搜索性能。关于此项调优会有专门文章讲到，官方文章请点击这里。

段合并的optimize API 不是非常特殊的情况下千万不要使用，默认策略已经足够好了。不恰当的使用可能会将你机器的资源全部耗尽在段合并上，导致无法搜索、无法响应

0x05 Doc更新

文档的更新操作和删除是类似的：当一个文档被更新，旧版本的文档被标记为删除，新版本的文档在新的段中索引。

该文档的不同版本都会匹配一个查询，但是较旧的版本会从结果中删除。

0xFE 总结

本文主要分析了ES中的Doc和其底层的段的原理和他们之间的关系，相信看了本文大家可以对这一部分了解更深。

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作者：迷路剑客 

来源：CSDN 

原文：https://blog.csdn.net/baichoufei90/article/details/82901270 

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