ES 原理和使用场景

为什么不能使用数据库做搜索？

• 1、比方说，每条记录的指定字段的文本，可能会很长，比如说“商品描述”字段的长度，有长达数千个，甚至数万个字符，这个时候，每次都要对每条记录的所有文本进行扫描。
  你包不包含我指定的这个关键词（比如说“牙膏”）
• 2、还不能将搜索词拆分开来，尽可能去搜索更多的符合你的期望的结果，比如输入“生化机”，就搜索不出来“生化危机”
  总的来说就是数据库来实现搜索，是不太靠谱的。通常来说，性能会很差的。

NoSQL 优点：
（1）数据量较大，es的分布式本质，可以帮助你快速进行扩容，承载大量数据
（2）数据结构灵活多变，随时可能会变化，而且数据结构之间的关系，非常复杂，如果我们用传统数据库，那是不是很坑，因为要面临大量的表
（3）对数据的相关操作，较为简单，比如就是一些简单的增删改查，用我们之前讲解的那些document操作就可以搞定
（4）NoSQL数据库，适用的也是类似于上面的这种场景

Lucene

lucene，就是一个jar包，里面包含了封装好的各种建立倒排索引，以及进行搜索的代码，包括各种算法。我们就用java开发的时候，引入lucene jar，然后基于lucene的api进行去进行开发就可以了。
用lucene，我们就可以去将已有的数据建立索引，lucene会在本地磁盘上面，给我们组织索引的数据结构。另外的话，我们也可以用lucene提供的一些功能和api来针对磁盘上进行操作和查询。

Elasticsearch

Elasticsearch的功能，应用场景

1. 分布式的搜索引擎和数据分析引擎

搜索：百度，网站的站内搜索，IT系统的检索
数据分析：电商网站，最近7天牙膏这种商品销量排名前10的商家有哪些；新闻网站，最近1个月访问量排名前3的新闻版块是哪些
分布式，搜索，数据分析

2. 全文检索，结构化检索，数据分析

全文检索：我想搜索商品名称包含牙膏的商品，select * from products where product_name like “%牙膏%”
结构化检索：我想搜索商品分类为日化用品的商品都有哪些，select * from products where category_id=‘日化用品’
部分匹配、自动完成、搜索纠错、搜索推荐
数据分析：我们分析每一个商品分类下有多少个商品，select category_id,count(*) from products group by category_id

3. 对海量数据进行近实时的处理

分布式：ES自动可以将海量数据分散到多台服务器上去存储和检索
海联数据的处理：分布式以后，就可以采用大量的服务器去存储和检索数据，自然而然就可以实现海量数据的处理了
近实时：检索个数据要花费1小时（这就不要近实时，离线批处理，batch-processing）；在秒级别对数据进行搜索和分析

跟分布式/海量数据相反的：lucene，单机应用，只能在单台服务器上使用，最多只能处理单台服务器可以处理的数据量

elasticsearch的核心概念

1. Near Realtime（RT）：近实时，数据被写入到es 到可以被搜索到这个时间 在一秒内可以完成。

2. Cluster：集群，包含多个节点，每个节点属于哪个集群是通过一个配置（集群名称，默认是elasticsearch）来决定的，对于中小型应用来说，刚开始一个集群就一个节点很正常

3. Node：节点，集群中的一个节点，节点也有一个名称（默认是随机分配的），节点名称很重要（在执行运维管理操作的时候），默认节点会去加入一个名称为“elasticsearch”的集群，如果直接启动一堆节点，那么它们会自动组成一个elasticsearch集群，当然一个节点也可以组成一个elasticsearch集群

4. Document&field：文档，es中的最小数据单元，一个document可以是一条客户数据，一条商品分类数据，一条订单数据，通常用JSON数据结构表示，
   每个index下的type中，都可以去存储多个document。一个document里面有多个field，每个field就是一个数据字段。

{
  "product_id": "1",
  "product_name": "高露洁牙膏",
  "product_desc": "高效美白",
  "category_id": "2",
  "category_name": "日化用品"
}

5. Index：索引，包含一堆有相似结构的文档数据，比如可以有一个客户索引，商品分类索引，订单索引，索引有一个名称。一个index包含很多document，一个index就代表了一类类似的或者相同的document。比如说建立一个product index，商品索引，里面可能就存放了所有的商品数据，所有的商品document。
6. Type：类型，每个索引里都可以有一个或多个type，type是index中的一个逻辑数据分类，一个type下的document，都有相同的field，比如博客系统，有一个索引，可以定义用户数据type，博客数据type，评论数据type。
   type，日化商品type，电器商品type，生鲜商品type

日化商品type：product_id，product_name，product_desc，category_id，category_name
电器商品type：product_id，product_name，product_desc，category_id，category_name，service_period
生鲜商品type：product_id，product_name，product_desc，category_id，category_name，eat_period

每一个type里面，都会包含一堆document，类型于数据库中，这里的每一行数据就是一个document，

{
  "product_id": "2",
  "product_name": "长虹电视机",
  "product_desc": "4k高清",
  "category_id": "3",
  "category_name": "电器",
  "service_period": "1年"
}
{
  "product_id": "3",
  "product_name": "基围虾",
  "product_desc": "纯天然，冰岛产",
  "category_id": "4",
  "category_name": "生鲜",
  "eat_period": "7天"
}

7. shard：单台机器无法存储大量数据，es可以将一个索引中的数据切分为多个shard，分布在多台服务器上存储。有了shard就可以横向扩展，存储更多数据，让搜索和分析等操作分布到多台服务器上去执行，提升吞吐量和性能。每个shard都是一个lucene index。因为ES是分布式架构，类似于HDFS的存储方式，所以数据被打散存储在集群的多个节点上，一个分片实际上就是底层Lucene的一个索引，这里说的分片指的是ES中的主分片（因为还有副本分片一说），分片的方式是ES自动完成，用户可以指定分片的数量，主分片一旦指定就不能修改，因为ES打散数据的方式是和索引创建时指定的主分片数量有关（路由算法公式：shard=hash(routing)%number_of_primary_shards，进行文档分配），后期改变会导致分片中的数据不可搜索。

8. replica：任何一个服务器随时可能故障或宕机，此时shard可能就会丢失，因此可以为每个shard创建多个replica副本。replica可以在shard故障时提供备用服务，保证数据不丢失，多个replica还可以提升搜索操作的吞吐量和性能。**primary shard（建立索引时一次设置，不能修改，默认5个），replica shard（随时修改数量，默认1个），默认每个索引10个shard，5个primary shard，5个replica shard，最小的高可用配置，是2台服务器。 副本就是分片的一个拷贝，不仅能提高自身容灾，另外，请求量很大的情况下，副本可以分担主Shard压力，承担查询功能。副本个数还以在创建完索引后灵活调整

ES实现写入和读取的原理

（1）ES写数据过程

1. 客户端随机选择一个node发送请求过去，这个node就是coordinating node（协调节点）
2. coordinating node，对document进行路由，将请求转发给对应的node（有primary shard）
3. 实际的node上的primary shard处理请求，然后将数据同步到replica node
4. coordinating node，如果发现primary node和所有replica node都搞定之后，就返回响应结果给客户端
5. 在写primary shard的过程中同时还要持久到本地 ：

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commit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commit操作。

5）commit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commit point写入磁盘文件，里面标识着这个commit 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commit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。

commit操作：

• 1、写commit 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commit操作完成。默认每隔30分钟会自动执行一次commit，但是如果translog过大，也会触发commit。整个commit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commit操作，flush操作。es中的flush操作，就对应着commit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commit 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。

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，commit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commit 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

（2）ES读数据过程

查询，GET某一条数据，写入了某个document，这个document会自动给你分配一个全局唯一的id，即doc id，同时也是根据doc id进行hash路由到对应的primary shard上面去。也可以手动指定doc id，比如用订单id，用户id。

你可以通过doc id来查询，会根据doc id进行hash，判断出来当时把doc id分配到了哪个shard上面去，从那个shard去查询

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 shard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

（3）ES搜索数据过程

1）客户端发送请求到一个coordinate node
2）协调节点将搜索请求转发到所有的shard对应的primary shard或replica shard也可以
3）query phase：每个shard将自己的搜索结果（其实就是一些doc id），返回给协调节点，由协调节点进行数据的合并、排序、分页等操作，产出最终结果
4）fetch phase：接着由协调节点，根据doc id去各个节点上拉取实际的document数据，最终返回给客户端
（4）搜索的底层原理，倒排索引，用表格说明传统数据库和倒排索引的区别（自上而下）

关系型数据库（比如Mysql）	非关系型数据库（Elasticsearch）
数据库 DB	索引 Index
表 Table	类型 Type
数据行 Row	文档 Document
数据列 Column	字段 Field
约束 Schema	映射 Mapping