ElasticSearch系列-索引原理与数据写入读取流程

索引原理

倒排索引

倒排索引（Inverted Index）也叫反向索引，有反向索引必有正向索引。通俗地来讲，正向索引是通过key找value，反向索引则是通过value找key。ES底层在检索时底层使用的就是倒排索引。

索引模型

现有索引和映射如下:

{
  "products" : {
    "mappings" : {
      "properties" : {
        "description" : {
          "type" : "text"
        },
        "price" : {
          "type" : "float"
        },
        "title" : {
          "type" : "keyword"
        }
      }
    }
  }
}

先录入如下数据，有三个字段title、price、description等

_id	title	price	description
1	蓝月亮洗衣液	19.9	蓝月亮洗衣液很高效
2	iphone13	19.9	很不错的手机
3	小浣熊干脆面	1.5	小浣熊很好吃

在ES中除了text类型分词，其他类型不分词，因此根据不同字段创建索引如下：

• title字段:

  term	_id(文档id)
  蓝月亮洗衣液	1
  iphone13	2
  小浣熊干脆面	3

• price字段

  term	_id(文档id)
  19.9	[1,2]
  1.5	3

• description字段

  term	_id	term	_id	term	_id
  蓝	1	不	2	小	3
  月	1	错	2	浣	3
  亮	1	的	2	熊	3
  洗	1	手	2	好	3
  衣	1	机	2	吃	3
  液	1
  很	[1:1:9,2:1:6,3:1:6]
  高	1
  效	1

注意: Elasticsearch分别为每个字段都建立了一个倒排索引。因此查询时查询字段的term,就能知道文档ID，就能快速找到文档。

数据写入流程

1. 先写入buffer，在buffer里的时候数据是搜索不到的；同时将数据写入translog日志文件
2. 如果buffer快满了，或者到一定时间，就会将buffer数据refresh到一个新的segment file中，但是此时数据不是直接进入segment file的磁盘文件的，而是先进入os cache的。这个过程就是refresh。

每隔1秒钟，es将buffer中的数据写入一个新的segment file，每秒钟会产生一个新的磁盘文件，segment file，这个segment file中就存储最近1秒内buffer中写入的数据，但是如果buffer里面此时没有数据，那当然不会执行refresh操作咯，每秒创建换一个空的segment file，如果buffer里面有数据，默认1秒钟执行一次refresh操作，刷入一个新的segment file中，操作系统里面，磁盘文件其实都有一个东西，叫做os cache，操作系统缓存，就是说数据写入磁盘文件之前，会先进入os cache，先进入操作系统级别的一个内存缓存中去，只要buffer中的数据被refresh操作，刷入os cache中，就代表这个数据就可以被搜索到了

为什么叫es是准实时的？NRT，near real-time，准实时。默认是每隔1秒refresh一次的，所以es是准实时的，因为写入的数据1秒之后才能被看到。

可以通过es的restful api或者java api，手动执行一次refresh操作，就是手动将buffer中的数据刷入os cache中，让数据立马就可以被搜索到。

只要数据被输入os cache中，buffer就会被清空了，因为不需要保留buffer了，数据在translog里面已经持久化到磁盘去一份了

3. 只要数据进入os cache，此时就可以让这个segment file的数据对外提供搜索了
4. 重复1~3步骤，新的数据不断进入buffer和translog，不断将buffer数据写入一个又一个新的segment file中去，每次refresh完buffer清空，translog保留。随着这个过程推进，translog会变得越来越大。当translog达到一定长度的时候，就会触发mit操作。

buffer中的数据，倒是好，每隔1秒就被刷到os cache中去，然后这个buffer就被清空了。所以说这个buffer的数据始终是可以保持住不会填满es进程的内存的。

每次一条数据写入buffer，同时会写入一条日志到translog日志文件中去，所以这个translog日志文件是不断变大的，当translog日志文件大到一定程度的时候，就会执行mit操作。

5. mit操作发生第一步，就是将buffer中现有数据refresh到os cache中去，清空buffer
6. 将一个mit point写入磁盘文件，里面标识着这个mit point对应的所有segment file
7. 强行将os cache中目前所有的数据都fsync到磁盘文件中去

translog日志文件的作用是什么？就是在你执行mit操作之前，数据要么是停留在buffer中，要么是停留在os cache中，无论是buffer还是os cache都是内存，一旦这台机器死了，内存中的数据就全丢了。

所以需要将数据对应的操作写入一个专门的日志文件，translog日志文件中，一旦此时机器宕机，再次重启的时候，es会自动读取translog日志文件中的数据，恢复到内存buffer和os cache中去

mit操作：1、写mit point；2、将os cache数据fsync强刷到磁盘上去；3、清空translog日志文件

8. 将现有的translog清空，然后再次重启启用一个translog，此时mit操作完成。默认每隔30分钟会自动执行一次mit，但是如果translog过大，也会触发mit。整个mit的过程，叫做flush操作。我们可以手动执行flush操作，就是将所有os cache数据刷到磁盘文件中去。

不叫做mit操作，flush操作。es中的flush操作，就对应着mit的全过程。我们也可以通过es api，手动执行flush操作，手动将os cache中的数据fsync强刷到磁盘上去，记录一个mit point，清空translog日志文件。

9. translog其实也是先写入os cache的，默认每隔5秒刷一次到磁盘中去，所以默认情况下，可能有5秒的数据会仅仅停留在buffer或者translog文件的os cache中，如果此时机器挂了，会丢失5秒钟的数据。但是这样性能比较好，最多丢5秒的数据。也可以将translog设置成每次写操作必须是直接fsync到磁盘，但是性能会差很多。

实际上你在这里，如果面试官没有问你es丢数据的问题，你可以在这里给面试官炫一把，你说，其实es第一是准实时的，数据写入1秒后可以搜索到；可能会丢失数据的，你的数据有5秒的数据，停留在buffer、translog os cache、segment file os cache中，有5秒的数据不在磁盘上，此时如果宕机，会导致5秒的数据丢失。

如果你希望一定不能丢失数据的话，你可以设置个参数，官方文档，百度一下。每次写入一条数据，都是写入buffer，同时写入磁盘上的translog，但是这会导致写性能、写入吞吐量会下降一个数量级。本来一秒钟可以写2000条，现在你一秒钟只能写200条，都有可能。

10. 如果是删除操作，mit的时候会生成一个.del文件，里面将某个doc标识为deleted状态，那么搜索的时候根据.del文件就知道这个doc被删除了

11. 如果是更新操作，就是将原来的doc标识为deleted状态，然后新写入一条数据

12. buffer每次refresh一次，就会产生一个segment file，所以默认情况下是1秒钟一个segment file，segment file会越来越多，此时会定期执行merge

13. 每次merge的时候，会将多个segment file合并成一个，同时这里会将标识为deleted的doc给物理删除掉，然后将新的segment file写入磁盘，这里会写一个mit point，标识所有新的segment file，然后打开segment file供搜索使用，同时删除旧的segment file。

es里的写流程，有4个底层的核心概念，refresh、flush、translog、merge

当segment file多到一定程度的时候，es就会自动触发merge操作，将多个segment file给merge成一个segment file。

数据查询流程

1. 客户端发送请求到任意一个node，成为coordinate node
2. coordinate node对document进行路由，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
3. 接收请求的node返回document给coordinate node
4. coordinate node返回document给客户端

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