关于ElasticSearch的堆内存设置与优化

1、什么是堆内存？
Java 中的堆是 JVM 所管理的最大的一块内存空间，主要用于存放各种类的实例对象。
在 Java 中，堆被划分成两个不同的区域：
- 新生代 ( Young )、
- 老年代 ( Old )。

新生代 ( Young ) 又被划分为三个区域
：
- Eden、
- From Survivor、
- To Survivor。

这样划分的目的是为了使 JVM 能够更好的管理堆内存中的对象，包括内存的分配以及回收。

2、堆内存的作用是什么？
在虚拟机启动时创建。

堆内存的唯一目的就是创建对象实例，所有的对象实例和数组都要在堆上分配。

堆是由垃圾回收来负责的，因此也叫做“GC堆”，垃圾回收采用分代算法，堆由此分为新生代和老年代。

堆的优势是可以动态地分配内存大小，生存期也不必事先告诉编译器，因为它是在运行时动态分配内存的，Java的垃圾收集器会自动收走这些不再使用的数据。

但缺点是，由于要在运行时动态分配内存，存取速度较慢。当堆内存因为满了无法扩展时就会抛出java.lang.OutOfMemoryError:Java heap space异常。出现这种情况的解决办法具体参见java调优。

3、堆内存如何配置？
默认情况下，Elasticsearch JVM使用堆内存最小和最大大小为2 GB（5.X版本以上）。

早期版本默认1GB，官网指出：这明显不够。

在转移到生产环境时，配置足够容量的堆大小以确保Elasticsearch功能和性能是必要的。

Elasticsearch将通过Xms（最小堆大小）和Xmx（最大堆大小）设置来分配jvm.options中指定的整个堆。

举例如下：

设置方式一：
在jvm.option配置文件中设置堆内存。

-Xms2g
-Xmx2g
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设置方式二：
通过环境变量设置。
这可以通过注释掉jvm.options文件中的Xms和Xmx设置并通过ES_JAVA_OPTS设置这些值来完成：

ES_JAVA_OPTS="-Xms2g -Xmx2g" ./bin/elasticsearch
ES_JAVA_OPTS="-Xms4000m -Xmx4000m" ./bin/elasticsearch
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4、堆内存的决定因素
堆内存的值取决于服务器上可用的内存大小。

5、堆内存配置建议
将最小堆大小（Xms）和最大堆大小（Xmx）设置为彼此相等。

Elasticsearch可用的堆越多，可用于缓存的内存就越多。但请注意，太多的堆内存可能会使您长时间垃圾收集暂停。

将Xmx设置为不超过物理内存的50％，以确保有足够的物理内存留给内核文件系统缓存。

- 不要将Xmx设置为JVM超过32GB。

大小建议：
宿主机内存大小的一半和31GB，取最小值。
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6、堆内存为什么不能超过物理机内存的一半？
堆对于Elasticsearch绝对重要。
它被许多内存数据结构用来提供快速操作。但还有另外一个非常重要的内存使用者：Lucene。

Lucene旨在利用底层操作系统来缓存内存中的数据结构。 Lucene段(segment)存储在单个文件中。因为段是一成不变的，所以这些文件永远不会改变。这使得它们非常容易缓存，并且底层操作系统将愉快地将热段（hot segments）保留在内存中以便更快地访问。这些段包括倒排索引（用于全文搜索）和文档值（用于聚合）。

Lucene的性能依赖于与操作系统的这种交互。但是如果你把所有可用的内存都给了Elasticsearch的堆，那么Lucene就不会有任何剩余的内存。这会严重影响性能。

标准建议是将可用内存的50％提供给Elasticsearch堆，而将其他50％空闲。它不会被闲置; Lucene会高兴地吞噬掉剩下的东西。

如果您不字符串字段上做聚合操作（例如，您不需要fielddata），则可以考虑进一步降低堆。堆越小，您可以从Elasticsearch（更快的GC）和Lucene（更多内存缓存）中获得更好的性能。

7、堆内存为什么不能超过32GB？
在Java中，所有对象都分配在堆上并由指针引用。普通的对象指针（OOP）指向这些对象，传统上它们是CPU本地字的大小：32位或64位，取决于处理器。

对于32位系统，这意味着最大堆大小为4 GB。对于64位系统，堆大小可能会变得更大，但是64位指针的开销意味着仅仅因为指针较大而存在更多的浪费空间。并且比浪费的空间更糟糕，当在主存储器和各种缓存（LLC，L1等等）之间移动值时，较大的指针消耗更多的带宽。

Java使用称为压缩oops的技巧来解决这个问题。而不是指向内存中的确切字节位置，指针引用对象偏移量。这意味着一个32位指针可以引用40亿个对象，而不是40亿个字节。最终，这意味着堆可以增长到约32 GB的物理尺寸，同时仍然使用32位指针。

一旦你穿越了这个神奇的〜32 GB的边界，指针就会切换回普通的对象指针。每个指针的大小增加，使用更多的CPU内存带宽，并且实际上会丢失内存。实际上，在使用压缩oops获得32 GB以下堆的相同有效内存之前，需要大约40-50 GB的分配堆。

以上小结为：即使你有足够的内存空间，尽量避免跨越32GB的堆边界。
否则会导致浪费了内存，降低了CPU的性能，并使GC在大堆中挣扎。

8、我是内存土豪怎么办？
假设，我有一台带有1TB RAM的机器！
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32 GB的基线相当重要。那么当你的机器有很多内存时你怎么做？当前具有512-768 GB RAM的超级服务器变得越来越普遍。

首先，我们建议避免使用这种大型机器。

但是如果你已经有了这些机器，你有三种实用的选择：

1. 你是否主要进行全文搜索？

考虑给Elasticsearch提供4-32 GB，并让Lucene通过操作系统文件系统缓存使用剩余的内存。所有内存都会缓存段，并导致快速全文搜索。

2. 你在做很多排序/聚合？

大部分聚合数字，日期，地理位置和not_analyzed字符串？你很幸运，你的聚合将在内存缓存的文档值上完成！

从4-32 GB的内存中给Elasticsearch一个地方，剩下的让操作系统在内存中缓存doc值。

3. 你是否对分析过的字符串进行了很多排序/聚合（例如对于字标记或SigTerms等）？

不幸的是，这意味着你需要fielddata，这意味着你需要堆空间。

考虑在一台机器上运行两个或多个节点，而不是一个节点数量巨大的RAM。

尽管如此，仍然坚持50％的规则。

To土豪内存小结：

因此，如果您的机器具有128 GB的RAM，请运行两个节点，每个节点的容量低于32 GB。这意味着小于64 GB将用于堆，而Lucene将剩余64 GB以上。

如果您选择此选项，请在您的配置中设置cluster.routing.allocation.same_shard.host：true。这将阻止主副本分片共享同一台物理机（因为这会消除副本高可用性的好处）。

9、堆内存优化建议
方式一：最好的办法是在系统上完全禁用交。
这可以暂时完成：

sudo swapoff -a
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要永久禁用它，你可能需要编辑你的/ etc / fstab。

方式二：控制操作系统尝试交换内存的积极性。

如果完全禁用交换不是一种选择，您可以尝试降低swappiness。该值控制操作系统尝试交换内存的积极性。这可以防止在正常情况下交换，但仍然允许操作系统在紧急内存情况下进行交换。

对于大多数Linux系统，这是使用sysctl值配置的：

vm.swappiness = 1
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1的swappiness优于0，因为在某些内核版本上，swappiness为0可以调用OOM杀手。

方式三：mlockall允许JVM锁定其内存并防止其被操作系统交换。

最后，如果两种方法都不可行，则应启用mlockall。文件。这允许JVM锁定其内存并防止其被操作系统交换。在你的elasticsearch.yml中，设置这个：

bootstrap.mlockall：true
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10、注意
修改JVM相关配置很容易，但容易产生难以测量的不透明效果，并最终将您的群集解调为缓慢，不稳定的混乱
在调试群集时，第一步通常是删除所有自定义配置。大约一半的时间，仅靠这一点就恢复了稳定性和性能。
11、最新认知
wood@Ctrip
事实上，给ES分配的内存有一个魔法上限值26GB，

这样可以确保启用zero based Compressed Oops，这样性能才是最佳的。

参考:https://elasticsearch.cn/question/3995
https://www.elastic.co/blog/a-heap-of-trouble

12、小结
这是一篇官网文档&原理的整合文章，主要目的是梳理认知。

13、参考
基础：http://t.cn/RH4DDYu
设置：http://t.cn/RmKbO1i
建议：http://t.cn/RmKbjsF
注意：http://t.cn/RmKbHp5
堆：http://t.cn/RmKbRji
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