ElasticSearch 2 (10) - 在ElasticSearch之下（深入理解Shard和Lucene Index）

摘要

从底层介绍ElasticSearch Shard的内部原理，以及回答为什么使用ElasticSearch有必要了解Lucene的内部工作方式？

• 了解ElasticSearch API的代价

  • 构建快速的搜索应用
  • 不要任何时候都commit
  • 何时使用Stored Fields和Document Values
  • Lucene可能不是一个合适的工具

• 了解索引的存储方式

  • term vector是索引大小的1/2
  • 我移除了20%的文件，但是索引占用空间并未发生任何变化

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版本

elasticsearch版本: elasticsearch-2.2.0

内容

索引

毫不夸张的说，如果不了解Lucene索引的工作方式，可以说完全不了解Lucene，对于ElasticSearch更是如此。

• 可以使搜索更快速

  • 可以冗余信息
  • 根据查询（queries）建立索引

• 在更新速度与查询速度间妥协

  需要注意的是搜索的应用场景

  • Grep vs. 全文检索（full-text indexing）
  • Prefix queries vs. edge n-grams
  • Phrase queries vs shingles

  如果是进行前缀查询（右模糊匹配）或者是短语查询（phrase queries），ElasticSearch可能不合适，需要做特殊的优化。（在2.x中，ES对以上应用场景都有支持，具体使用方式可以参考：Search in Depth）

• Lucene索引的速度

  • http://people.apache.org/~mikemccand/lucenebench/indexing.html

创建索引

以两个简单的文件为例：Lucene in action和Databases。

假设Lucene in action里有单词

{index, term, data, Lucene}

Databases里有单词

{sql, index, data}

• 树形结构（Tree structure）

  对于range query有序
  查询的时间复杂度为O(log(n))

  

  一般的关系型数据库大致结构可能是上面这样的一颗B、B+树，但是Lucene是另外一种存储结构。

• 倒排索引（或反向索引Inverted Index）

  对于Lucene来说，其主要的存储结构是一个反向索引，它是一个数组，数组里面是一个有序的数据字典。

  

  这样一个存储结构存在与Lucene的Segment里。

  • term ordinal —— 是一个词的序号
  • term dict —— 是词的内容
  • postings list —— 存放包含词的文件的id序列
  • doc id —— 是每个文件的唯一标识
  • document —— 存放每个文件的内容

  这两种结构的一个重要区别是：在增加或删除文件时，系统会树形结构频繁操作，这个结构是一直变化的，而反向索引可以维持不变（Immutable）。

• 插入?

  • 插入 即 创建一个新的segment

  • 当有很多segment时，系统会合并segment
    这个过程本质上是一个merge sort，做的事情就是

    • 连接文件
    • 合并字典
    • 合并postings lists

  

• 删除?

  • 删除要做的只是置一个标志位
  • 搜索及merge的时候系统会忽略被删除的文件
  • 当有很多删除发生时，系统会自动运行merge
  • 被标记为已删除的文件会在merge完成后回收其所占用的存储空间

  

• 孰优孰劣？

  • 当更新一个文件的时候，我们实际上是创建了一个新的segment，因此

    • 单个文件的更新代价高昂，我们需要使用bulk更新
    • 所有的写操作都是顺序执行的

  • Segments永远不会被修改

    • 文件系统缓存友好
    • 不会出现锁的问题

  • Terms 高度去重

    • 节省大量高频词所占用的空间

  • 文件本身由唯一序号标识

    • 跨API通信的时候非常方便
    • Lucene可以在单个Query下使用多个索引index

  • Terms 由唯一序号标识

    • 对于排序非常重要，只需要比较数字，而非字符串
    • 对于faceting（分面搜索）非常重要

• Lucene Index的强大之处(Index intersection)

  很多数据库不支持同时使用多个索引，但是Lucene支持

  

  • Lucene为postings lists 维护一个skip list(Wiki)，如果要搜索如上例子中的“red shoe”，系统参考skip list里的信息可以跳跃检索（“leap-frog”）

  • 对于很多数据库，它们会挑选最主要的索引（most selective），而忽略其他

  关于详细的index intersection算法以及如何使用skip list的可以参照（nlp.standford.edu）

更多索引

• 术语向量（Term vectors）

  • 为每个文件都会创建一个反向索引（Inverted Index）
  • 适用场景：搜索更相似的内容
  • 也可以用作高亮搜索结果

  

• 文件值（Document Values）

  • 以文件字段为单位进行列式存储
  • 适用场景：排序、权重记分

  

• 有序（集合）文件值

  • 文件有序、字段有序

    • 单字段：排序
    • 多字段：分面搜索

  

• 分面搜索（Faceting）

  分面是指事物的多维度属性。例如一本书包含主题、作者、年代等分面。而分面搜索是指通过事物的这些属性不断筛选、过滤搜索结果的方法。可以将分面搜索看成搜索和浏览的结合。分面搜索作为一种有效的搜索方式，已经被用在电子商务、音乐、旅游等多个方面。

  例如，谷歌音乐的挑歌页面，将歌曲分为节奏、声调、音色、年代、流派等分面

  • 根据文件与搜索匹配的情况计数

    • 例如，电商网站根据衣服的款式、衣长、尺码、颜色等分面。

  • 简单（naive）方案

    • 利用哈希表计数（value to count）
    • O(#docs) ordinal 查找
    • O(#doc) value 查找

  • Lucene方案

    • 哈希表（ord to count）
    • 最后统计值
    • O(#docs) ordinal 查找
    • O(#values) value 查找

  因为ordinal是密集的，所以可以简单用数组array来表示。

• 如何使用API？

  ElasticSearch高级API 都是基于Lucene API构建的，这些基础的API包括：

  -----------------------------------------------------------------------------------------------
      API                 |   用途                                  |   方法
  -----------------------------------------------------------------------------------------------
      Inverted index      | Term -> doc ids, positions, offsets   |   AtomicReader.fields
  -----------------------------------------------------------------------------------------------
      Stored fields       | Summaries of search results           |   IndexReader.document
  -----------------------------------------------------------------------------------------------
      Live docs           | Ignoring deleted docs                 |   AtomicReader.liveDocs
  -----------------------------------------------------------------------------------------------
      Term vectors        | More like this                        |   IndexReader.termVectors
  -----------------------------------------------------------------------------------------------
      Doc values/Norms    | Sorting/faceting/scoring              |   AtomicReader.get*Values
  -----------------------------------------------------------------------------------------------     

• 小结

  • 数据有四份重复，只是结构各不相同

    • 绝不是浪费空间
    • 感谢immutable使数据易于管理

  • Stored Fields和Document Values

    • 两种结构为不同的使用场景优化

      1. 少量文件获取多个字段：Stored Fields
      2. 大量文件获取少量字段：Document Values

  

文件格式的秘密

• 不能忘的规则

  • 保存文件的句柄

    不要为每个字段每个文件使用文件

  • 避免磁盘寻址

    磁盘寻址的时间大概为~10ms

  • 不要忽略文件系统的缓存

    随机访问小文件还是可以的

  • 使用轻压缩

    • 更少I/O
    • 更小索引
    • 文件系统缓存友好

• 编码解码

  • 文件格式依赖与编码解码

  • 默认的编码格式已经优化内存与速度之间的关系

    不要使用RAMDirectory、MemoryPostingsFormat、MemoryDocValuesFormat。

  • 详细信息参照

    http://lucene.apache.org/core/4_5_1/core/org/apache/lucene/codecs/packagesummary.
    html

• 合适的压缩技术

  • Bit packing / vlnt encoding

    • postings lists
    • numeric doc values

  • LZ4

    • code.google.com/p/lz4
    • 轻量压缩算法
    • Stored fields, term vectors

  • FSTs

    • Map<string, ?="">
    • 键共享前缀（prefix）和后缀（suffix）
    • terms index

• TermQuery的背后

  1. Terms Index

     在索引中查找相应的词

     • 在内存中FST存储了词的前缀prefix
     • 提供词在字典中的偏移量
     • 在不存在时可以快速失败

     

  2. Terms Dictionary

     • 跳到字典偏移的位置

       压缩是基于共享前缀的，与“BlockTree term dict”类似

     • 顺序读取直到找到特定的Term

     

  3. Postings List

     • 跳到postings list偏移量对应位置

     • 用改进的FOR（Frame of Reference）进行增量编码

       1. 增量编码
       2. 将块拆分为N＝128个值的大小
       3. 每个块使用位压缩（bit packing）
       4. 如果有剩余文档，使用vlnt压缩

     

  4. Stored Fields

     • 对一个子集的doc id，索引存于内存中

       高效内存（monotonic）压缩

       二分查找

     • 字段

       顺序存储

       使用16KB块存储压缩

     

• 查询过程小结

  • 每个字段2次磁盘寻址

  • 每个文件1次磁盘寻址（Stored Fields）

  • terms dict/postings lists都在文件系统的缓存中

    此时不会发生磁盘寻址

  • “脉冲”优化

    • 对于唯一的term，postings list存储在Terms dict中
    • 1次磁盘寻址
    • 永远作为主键

性能

上图中系统性能出现两次下降，可能的情况是

1. 索引增长超过文件系统缓存的大小

   Stored Fields不再全部存储于缓存中

2. Terms dict/Postings lists不全在缓存中

参考

参考来源:

SlideShare: What is in a Lucene index?

Youtube: What is in a Lucene index? Adrien Grand, Software Engineer, Elasticsearch

SlideShare: Elasticsearch From the Bottom Up

Youtube: Elasticsearch from the bottom up

Wiki: Document-term matrix

Wiki: Search engine indexing

Skip list

Standford Edu: Faster postings list intersection via skip pointers

分面搜索（Faceted Search）

StackOverflow: how an search index works when querying many words?

StackOverflow: how does lucene calculate intersection of documents so fast?

Lucene and its magical indexes

结束