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Elasticsearch的介绍以及原理是什么

本篇内容主要讲解“Elasticsearch的介绍以及原理是什么”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“Elasticsearch的介绍以及原理是什么”吧!

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Elasticsearch－基础介绍及索引原理分析

最近在参与一个基于Elasticsearch作为底层数据框架提供大数据量(亿级)的实时统计查询的方案设计工作，花了些时间学习Elasticsearch的基础理论知识，整理了一下，希望能对Elasticsearch感兴趣/想了解的同学有所帮助。 同时也希望有发现内容不正确或者有疑问的地方，望指明，一起探讨，学习，进步。

介绍

Elasticsearch 是一个分布式可扩展的实时搜索和分析引擎,一个建立在全文搜索引擎 Apache Lucene(TM) 基础上的搜索引擎.当然 Elasticsearch 并不仅仅是 Lucene 那么简单，它不仅包括了全文搜索功能，还可以进行以下工作:

  • 分布式实时文件存储，并将每一个字段都编入索引，使其可以被搜索。

  • 实时分析的分布式搜索引擎。

  • 可以扩展到上百台服务器，处理PB级别的结构化或非结构化数据。

基本概念

先说Elasticsearch的文件存储，Elasticsearch是面向文档型数据库，一条数据在这里就是一个文档，用JSON作为文档序列化的格式，比如下面这条用户数据：

{
    "name" :     "John",
    "sex" :      "Male",
    "age" :      25,
    "birthDate": "1990/05/01",
    "about" :    "I love to go rock climbing",
    "interests": [ "sports", "music" ]
}

用MySQL这样的数据库存储就会容易想到建立一张User表，有balabala的字段等，在Elasticsearch里这就是一个文档，当然这个文档会属于一个User的类型，各种各样的类型存在于一个索引当中。这里有一份简易的将Elasticsearch和关系型数据术语对照表:

关系数据库     ⇒ 数据库 ⇒ 表    ⇒ 行    ⇒ 列(Columns)

Elasticsearch  ⇒ 索引(Index)   ⇒ 类型(type)  ⇒ 文档(Docments)  ⇒ 字段(Fields)

一个 Elasticsearch 集群可以包含多个索引(数据库)，也就是说其中包含了很多类型(表)。这些类型中包含了很多的文档(行)，然后每个文档中又包含了很多的字段(列)。Elasticsearch的交互，可以使用Java API，也可以直接使用HTTP的Restful API方式，比如我们打算插入一条记录，可以简单发送一个HTTP的请求：

PUT /megacorp/employee/1  
{
    "name" :     "John",
    "sex" :      "Male",
    "age" :      25,
    "about" :    "I love to go rock climbing",
    "interests": [ "sports", "music" ]
}

更新，查询也是类似这样的操作，具体操作手册可以参见Elasticsearch权威指南

索引

Elasticsearch最关键的就是提供强大的索引能力了，其实InfoQ的这篇时间序列数据库的秘密(2)——索引写的非常好，我这里也是围绕这篇结合自己的理解进一步梳理下，也希望可以帮助大家更好的理解这篇文章。

Elasticsearch索引的精髓：

一切设计都是为了提高搜索的性能

另一层意思：为了提高搜索的性能，难免会牺牲某些其他方面，比如插入/更新，否则其他数据库不用混了。前面看到往Elasticsearch里插入一条记录，其实就是直接PUT一个json的对象，这个对象有多个fields，比如上面例子中的name, sex, age, about, interests，那么在插入这些数据到Elasticsearch的同时，Elasticsearch还默默1的为这些字段建立索引--倒排索引，因为Elasticsearch最核心功能是搜索。

Elasticsearch是如何做到快速索引的

InfoQ那篇文章里说Elasticsearch使用的倒排索引比关系型数据库的B-Tree索引快，为什么呢？

什么是B-Tree索引?

上大学读书时老师教过我们，二叉树查找效率是logN，同时插入新的节点不必移动全部节点，所以用树型结构存储索引，能同时兼顾插入和查询的性能。因此在这个基础上，再结合磁盘的读取特性(顺序读/随机读)，传统关系型数据库采用了B-Tree/B+Tree这样的数据结构：

Elasticsearch的介绍以及原理是什么

为了提高查询的效率，减少磁盘寻道次数，将多个值作为一个数组通过连续区间存放，一次寻道读取多个数据，同时也降低树的高度。

什么是倒排索引?

Alt text

继续上面的例子，假设有这么几条数据(为了简单，去掉about, interests这两个field):

| ID | Name | Age  |  Sex     |
| -- |:------------:| -----:| -----:| 
| 1  | Kate         | 24 | Female
| 2  | John         | 24 | Male
| 3  | Bill         | 29 | Male

ID是Elasticsearch自建的文档id，那么Elasticsearch建立的索引如下:

Name:

| Term | Posting List |
| -- |:----:|
| Kate | 1 |
| John | 2 |
| Bill | 3 |

Age:

| Term | Posting List |
| -- |:----:|
| 24 | [1,2] |
| 29 | 3 |

Sex:

| Term | Posting List |
| -- |:----:|
| Female | 1 |
| Male | [2,3] |

Posting List

Elasticsearch分别为每个field都建立了一个倒排索引，Kate, John, 24, Female这些叫term，而[1,2]就是Posting List。Posting list就是一个int的数组，存储了所有符合某个term的文档id。

看到这里，不要认为就结束了，精彩的部分才刚开始...

通过posting list这种索引方式似乎可以很快进行查找，比如要找age=24的同学，爱回答问题的小明马上就举手回答：我知道，id是1，2的同学。但是，如果这里有上千万的记录呢？如果是想通过name来查找呢？

Term Dictionary

Elasticsearch为了能快速找到某个term，将所有的term排个序，二分法查找term，logN的查找效率，就像通过字典查找一样，这就是Term Dictionary。现在再看起来，似乎和传统数据库通过B-Tree的方式类似啊，为什么说比B-Tree的查询快呢？

Term Index

B-Tree通过减少磁盘寻道次数来提高查询性能，Elasticsearch也是采用同样的思路，直接通过内存查找term，不读磁盘，但是如果term太多，term dictionary也会很大，放内存不现实，于是有了Term Index，就像字典里的索引页一样，A开头的有哪些term，分别在哪页，可以理解term index是一颗树：

Elasticsearch的介绍以及原理是什么

这棵树不会包含所有的term，它包含的是term的一些前缀。通过term index可以快速地定位到term dictionary的某个offset，然后从这个位置再往后顺序查找。

Elasticsearch的介绍以及原理是什么

⭕️表示一种状态

-->表示状态的变化过程，上面的字母/数字表示状态变化和权重

将单词分成单个字母通过⭕️和-->表示出来，0权重不显示。如果⭕️后面出现分支，就标记权重，最后整条路径上的权重加起来就是这个单词对应的序号。

FSTs are finite-state machines that map a term (byte sequence) to an arbitrary output.

FST以字节的方式存储所有的term，这种压缩方式可以有效的缩减存储空间，使得term index足以放进内存，但这种方式也会导致查找时需要更多的CPU资源。

后面的更精彩，看累了的同学可以喝杯咖啡……

压缩技巧

Elasticsearch里除了上面说到用FST压缩term index外，对posting list也有压缩技巧。 
小明喝完咖啡又举手了:"posting list不是已经只存储文档id了吗？还需要压缩？"

嗯，我们再看回最开始的例子，如果Elasticsearch需要对同学的性别进行索引(这时传统关系型数据库已经哭晕在厕所……)，会怎样？如果有上千万个同学，而世界上只有男/女这样两个性别，每个posting list都会有至少百万个文档id。 Elasticsearch是如何有效的对这些文档id压缩的呢？

Frame Of Reference

增量编码压缩，将大数变小数，按字节存储

首先，Elasticsearch要求posting list是有序的(为了提高搜索的性能，再任性的要求也得满足)，这样做的一个好处是方便压缩，看下面这个图例： Elasticsearch的介绍以及原理是什么

细心的小明这时候又举手了:"为什么是以65535为界限?"

程序员的世界里除了1024外，65535也是一个经典值，因为它=2^16-1，正好是用2个字节能表示的最大数，一个short的存储单位，注意到上图里的最后一行“If a block has more than 4096 values, encode as a bit set, and otherwise as a simple array using 2 bytes per value”，如果是大块，用节省点用bitset存，小块就豪爽点，2个字节我也不计较了，用一个short[]存着方便。

那为什么用4096来区分大块还是小块呢？

个人理解：都说程序员的世界是二进制的，4096*2bytes ＝ 8192bytes < 1KB, 磁盘一次寻道可以顺序把一个小块的内容都读出来，再大一位就超过1KB了，需要两次读。

联合索引

上面说了半天都是单field索引，如果多个field索引的联合查询，倒排索引如何满足快速查询的要求呢？

  • 利用跳表(Skip list)的数据结构快速做“与”运算，或者

  • 利用上面提到的bitset按位“与”

先看看跳表的数据结构：

Elasticsearch的介绍以及原理是什么

如果使用跳表，对最短的posting list中的每个id，逐个在另外两个posting list中查找看是否存在，最后得到交集的结果。

如果使用bitset，就很直观了，直接按位与，得到的结果就是最后的交集。

总结和思考

Elasticsearch的索引思路:

将磁盘里的东西尽量搬进内存，减少磁盘随机读取次数(同时也利用磁盘顺序读特性)，结合各种奇技淫巧的压缩算法，用及其苛刻的态度使用内存。

所以，对于使用Elasticsearch进行索引时需要注意:

  • 不需要索引的字段，一定要明确定义出来，因为默认是自动建索引的

  • 同样的道理，对于String类型的字段，不需要analysis的也需要明确定义出来，因为默认也是会analysis的

  • 选择有规律的ID很重要，随机性太大的ID(比如java的UUID)不利于查询

关于最后一点，个人认为有多个因素:

其中一个(也许不是最重要的)因素: 上面看到的压缩算法，都是对Posting list里的大量ID进行压缩的，那如果ID是顺序的，或者是有公共前缀等具有一定规律性的ID，压缩比会比较高；

另外一个因素: 可能是最影响查询性能的，应该是最后通过Posting list里的ID到磁盘中查找Document信息的那步，因为Elasticsearch是分Segment存储的，根据ID这个大范围的Term定位到Segment的效率直接影响了最后查询的性能，如果ID是有规律的，可以快速跳过不包含该ID的Segment，从而减少不必要的磁盘读次数，具体可以参考这篇如何选择一个高效的全局ID方案(评论也很精彩)

到此，相信大家对“Elasticsearch的介绍以及原理是什么”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是创新互联网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！


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