ES 的存储原理

目录

一、ES是什么

二、ES基本结构

2.1、结构图

2.2、基本概念

2.3、与关系数据库概念的类比

2.4、数据如何读写

2.5 容灾能力

三、ES的文件存储结构

每个分片的事务日志（Transaction Log）

Index文件夹内文件含义(lucene文件夹)

四、存储步骤

页缓存 （文件系统缓存）

​编辑

整体存储步骤流程图

4.1、写入缓存（内存）

4.2、refresh 刷入页缓存（文件系统缓存）

4.3、刷入 refresh 页缓存的同时，写入 translog

4.4、数据 flush 落盘 disk 

4.5、Translog的页缓存（内存缓存）

4.6 flush

 4.7 整体存储步骤讲解

五、Es的其他操作

5.1、Doc删除

5.2、Doc更新 = 删除 + 新增

5.3、段合并

参考文章

一、ES是什么

• 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

• 基于Lucene，隐藏复杂性，提供简单易用的Restful API接口、Java API接口（还有其他语言的API接口）。ES是一个可高度扩展的全文搜索和分析引擎。它能够快速地、近乎实时地存储、查询和分析大量数据。

二、ES基本结构

2.1、结构图

简单讲解：

1. Node相当于服务器，上图就是4个服务器，也叫4个数据节点
2. 比如我的商品数据表的index是 es_product ，我可以把数据切割成3份，那么每一份就是一个 Shared（类似于Mysql的table分表），比如上图的index1，有3个主Shared
3. 假如我想把不同业务的数据分开存，比如我有外卖的数据，有商超的数据，那么加前缀，waimai_es_product，shangcha_es_product（类似于Mysql的分库）
4. R-shared就是副本shared，只负责复制Primary给下来的数据，只有当primary挂了，他才上位。（保证系统稳定性，为什么P-s1和 R-s1不能放在一起，那放一起一起挂了不就完犊子了）

2.2、基本概念

• 集群（cluster）

  ES集群由若干节点组成，这些节点在同一个网络内，cluster-name相同

• 节点（node）

  一个ES的实例，本质上是一个java进程，生产环境一般建议一台机器上运行一个ES实例。节点可以分布在不同的机房。

• 节点有如下分类：

  1、master节点：集群中的一个节点会被选为master节点，它将负责管理集群范畴的变更，例如创建或删除索引，添加节点到集群或从集群删除节点。master节点无需参与文档层面的变更和搜索，这意味着仅有一个master节点并不会因流量增长而成为瓶颈。任意一个节点都可以成为 master 节点。

  2、data节点：持有数据和倒排索引。默认情况下，每个节点都可以通过设定配置文件中的node.data属性为true(默认)成为数据节点。如果需要一个专门的主节点，应将其node.data属性设置为false。
  3、client节点：如果将node.master属性和node.data属性都设置为false，那么该节点就是一个客户端节点，扮演一个负载均衡的角色，将到来的请求路由到集群中的各个节点。也叫协调节点，这个节点不需要配置的，只要任何一个节点接收到请求，并且请求不需要这个节点处理，只需要他进行转发的场景下，这个节点就被叫做协调节点。

• 上面俩节点通过配置指定：

• node.master: true/false 
  node.data: true/false

  

  一个节点可以既为Master节点，又为Data节点，但是为什么不推荐？ 
  因为Data节点请求过多，负载过高的时候，可能会导致es假死，也就是可能导致其他节点认为该 Master挂了，另外 Data节点会进行gc 回收，这个过程也可能影响 Master节点的正常响应。所以强烈建议 Master 只做集群管理工作，不参与data的index与query

• 索引（index）

  文档的容器，一类文档的集合

• 分片（shard）

  单个节点由于物理机硬件限制，存储的文档是有限的，如果一个索引包含海量文档，则不能在单个节点存储。ES提供分片机制，同一个索引可以存储在不同分片（数据容器）中，这些分片又可以存储在集群中不同节点上。

  分片分为主分片(primary shard) 以及从分片(replica shard) 

  1、主分片与从分片关系：从分片只是主分片的一个副本，它用于提供数据的冗余副本 

  2、从分片应用：在硬件故障时提供数据保护，同时服务于搜索和检索这种只读请求 

  3、是否可变：索引中的主分片的数量在索引创建后就固定下来了，但是从分片的数量可以随时改变 

• 文档（document）

  可搜索的最小单元 ，json格式保存

2.3、与关系数据库概念的类比

分片(Shard)在数据库概念映射里面类似于分表（水平拆分）

index、type的初衷

之前es将index、type类比于关系型数据库（例如mysql）中database、table，这么考虑的目的是“方便管理数据之间的关系”。

【本来为了方便管理数据之间的关系，类比database-table 设计了index-type模型】

为什么现在要移除type？

a. 在关系型数据库中table是独立的（独立存储），但es中同一个index中不同type是存储在同一个索引中的（lucene的索引文件），因此不同type中相同名字的字段的定义（mapping）必须一致。如果是mysql，两个table中的age字段，2个table可以分别定义成int和string，但是es不行，必须一样

b. 不同类型的“记录”存储在同一个index中，会影响lucene的压缩性能。

2.4、数据如何读写

1、所有数据的处理都由 Primary Shared去处理

shard = hash(routing) % number_of_primary_shards

2、假如客户端请求 Node2 写入数据，比如是往spu-record这个index写入数据，此时根据路由字段（一般是主键id）路由到数据应该写入到分片3 Shared3 上，那么此时会找到分片3所在的节点Node3，Node2转发请求给Node3去处理，Node3写入Primary主分片，写入后同步给分片3的副本Replica，同步数据成功后，会告知Node3接收数据成功，Node3发送写入成功Reponse告知Node2，Node2把response发给客户端。（Primary-shared和Replicaa-shared都可以处理读流量）

思考：如果现在请求流量打到了node2上面，但是数据所在的Primary-shared在node3上， replica-shared在node1上，那么此时到底是请求哪个shared？ 那如果请求流量是打到node1上面呢？

如果请求流量打到了 Node2 上，但是数据所在的 Primary Shard 在 Node3 上，而 Replica Shard 在 Node1 上，那么 Elasticsearch 会将请求转发到 Node3 上的 Primary Shard 进行处理。如果 Node3 上的 Primary Shard 不可用，Elasticsearch 会将请求转发到 Node1 上的 Replica Shard 进行处理。

如果请求流量打到了 Node1 上，但是数据所在的 Primary Shard 在 Node3 上，而 Replica Shard 在 Node1 上，那么 Elasticsearch 会将请求转发到 Node1 上的 Replica Shard 进行处理。如果 Node1 上的 Replica Shard 不可用，Elasticsearch 会将请求转发到 Node3 上的 Primary Shard 进行处理。

需要注意的是，请求转发的过程可能会导致一定的延迟，因此在设计 Elasticsearch 集群时，需要合理分配数据和 Shard，避免数据倾斜和请求瓶颈。同时，也需要考虑硬件资源的限制，避免过多的数据迁移和请求转发导致系统性能下降。

3、读取数据如下图，假如请求Node2，但是数据在Node3，那么会转发请求到Node3去拿到数据转发给客户端。

2.5 容灾能力

1、假如服务器 Node3 挂了

2、Node3上有2个primary节点，shared3 和 shared7，此时 Node1 上的shared7的副本会晋升成 Primary Shard，Node4 上的 shared3 的副本也会晋升成 Primary Shard 。晋升后，即可马上对外提供服务。

3、由于配置了副本数是1，所以会把已经丢失的 s3 s7 s2 s5这四个 shard 在其他Node上复制一份。（如果有200G数据，千兆网络，拷贝完需要1600秒。如果没有replica，则这1600秒内这些Shard就不能服务。所以，要求设计的时候，每个shard的数据不能存放太大，避免容灾长时间的复制数据。）

三、ES的文件存储结构

1、如何去服务器找到es的配置文件

ps -ef | grep java

2、找到文件夹所在位置 es.path.home

-Des.path.home=/opt/company/apps/elasticsearch/current

找到 config文件夹

/opt/company/apps/elasticsearch/current/config

找到es服务的配置文件 elasticsearch.yml

less elasticsearch.yml

找到 path.data

path.data: /opt/company/es_data

tree 命令，或者 find . -type d -maxdepth 3

上面的 foo 是索引名称，有些可能用索引的 uuid 代替。

data/elasticsearch/nodes/0（这个0是固定的）/indices/foo/0 （这个0是foo位于这个Node上的shard分片）

每个分片的事务日志（Transaction Log）

Elasticsearch事务日志确保可以安全地将数据索引到Elasticsearch，而无需为每个文档执行低级Lucene提交。提交Lucene索引会在Lucene级别创建一个新的segment，即执行fsync()，会导致大量磁盘I / O影响性能。

为了接受索引文档并使其可搜索而不需要完整的Lucene提交，Elasticsearch将其添加到Lucene IndexWriter并将其附加到事务日志中。在每个refresh_interval之后，它将在Lucene索引上调用reopen()，这将使数据可以在不需要提交的情况下进行搜索。这是Lucene Near Real Time API的一部分。当IndexWriter最终由于自动刷新事务日志或由于显式刷新操作而提交时，先前的事务日志将被丢弃并且新的事务日志将取代它。

如果需要恢复，将首先恢复在Lucene中写入磁盘的segments，然后重放事务日志，以防止丢失尚未完全提交到磁盘的操作。

Index文件夹内文件含义(lucene文件夹)

四、存储步骤

页缓存 （文件系统缓存）

 为了提升对文件的读写效率，Linux 内核会以页大小（4KB）为单位，将文件划分为多数据块。当用户对文件中的某个数据块进行读写操作时，内核首先会申请一个内存页（称为 页缓存）与文件中的数据块进行绑定。如下图所示：

整体存储步骤流程图

4.1、写入缓存（内存）

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：

4.2、refresh 刷入页缓存（文件系统缓存）

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。

引入refresh操作的目的是提高ES的实时性，使添加文档尽可能快的被搜索到，同时又避免频繁fsync带来性能开销，依靠的就是文件系统缓存OS cache里缓存的文件可以被打开(open/reopen)和读取，而这个os cache实际是一块内存区域，而非磁盘，所以操作是很快的，这就是ES被称为近实时搜索的原因。

refresh默认执行的间隔是1秒，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。

4.3、刷入 refresh 页缓存的同时，写入 translog

translog记录的是已经在内存生成(segments)并存储到os cache但是还没写到磁盘的那些索引操作。

index segment刷入 refresh 到os cache后就可以打开供查询，这个操作是有潜在风险的，因为os cache中的数据有可能在意外的故障中丢失，而此时数据必备并未刷入到os disk，此时数据丢失将是不可逆的，这个时候就需要一种机制，可以将对es的操作记录下来，来确保当出现故障的时候，已经落地到磁盘的数据不会丢失，并在重启的时候可以从操作记录中将数据恢复过来。elasticsearch提供了translog来记录这些操作，结合os cached segments数据定时落盘来实现数据可靠性保证（flush）。

文档被添加到buffer同时追加到translog：

4.4、数据 flush 落盘 disk 

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，commit执行结束后，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

4.5、Translog的页缓存（内存缓存）

translog本身也是磁盘文件，频繁的写入磁盘会带来巨大的IO开销，因此对translog的追加写入操作的同样操作的是os cache，因此也需要定时落盘（fsync）。translog落盘的时间间隔直接决定了ES的可靠性，因为宕机可能导致这个时间间隔内所有的ES操作既没有生成segment磁盘文件，又没有记录到Translog磁盘文件中，导致这期间的所有操作都丢失且无法恢复。

translog的fsync是ES在后台自动执行的，默认是每5秒钟主动进行一次translog fsync，或者当translog文件大小大于512MB主动进行一次fsync，对应的配置是

index.translog.flush_threshold_period
index.translog.flush_threshold_size

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。

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"
}

4.6 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)。

满足下列条件之一就会触发冲刷操作：

• 内存缓冲区已满，相关参数： indices.memory.index_buffer

• 自上次冲刷后超过了一定的时间，相关参数：index.translog.flush_threshold_period

• 事物日志达到了一定的阔值，相关参数：index.translog.flush_threshold_size

 4.7 整体存储步骤讲解

1. 数据写入buffer缓冲和translog日志文件中。
   当你写一条数据document的时候，一方面写入到mem buffer缓冲中，一方面同时写入到translog日志文件中。
2. buffer满了或者每隔1秒(可配)，refresh将mem buffer中的数据生成index segment文件并写入os cache，此时index segment可被打开以供search查询读取，这样文档就可以被搜索到了（注意，此时文档还没有写到磁盘上）；然后清空mem buffer供后续使用。可见，refresh实现的是文档从内存移到文件系统缓存的过程。（其实都在内存内操作）
3. 重复上两个步骤，新的segment不断添加到os cache，mem buffer不断被清空，而translog的数据不断增加，随着时间的推移，translog文件会越来越大。
4. 当translog长度达到一定程度的时候，会触发flush操作，否则默认每隔30分钟也会定时flush，其主要过程：
   4.1. 执行refresh操作将mem buffer中的数据写入到新的segment并写入os cache，然后打开本segment以供search使用，最后再次清空mem buffer。
   4.2. 一个commit point被写入磁盘，这个commit point中标明所有的index segment。
   4.3. filesystem cache（os cache）中缓存的所有的index segment文件被fsync强制刷到磁盘os disk，当index segment被fsync强制刷到磁盘上以后，就会被打开，供查询使用。
   4.4. translog被清空和删除，创建一个新的translog。

五、Es的其他操作

5.1、Doc删除

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。

5.2、Doc更新 = 删除 + 新增

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。

5.3、段合并

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。

可见，段合并主要有两个目的：

• 第一个是将分段的总数量保持在受控的范围内（这用来保障查询的性能）。
• 第二个是真正地删除文挡。

ES对一个不断有数据写入的索引处理流程如下：

1. 索引过程中，refresh会不断创建新的段，并打开它们。
2. 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：

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。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。

参考文章

1、 Day 7 - Elasticsearch中数据是如何存储的文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-820156.html

到了这里，关于ES 的存储原理的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！