从根上理解elasticsearch(lucene)查询原理(1)-lucece查询逻辑介绍

大家好，我是蓝胖子，最近在做一些elasticsearch 慢查询优化的事情，通常用分析elasticsearch 慢查询的时候可以通过profile api 去分析，分析结果显示的底层lucene在搜索过程中使用到的函数调用。所以要想彻底弄懂elasticsearch慢查询的原因，还必须将lucene的查询原理搞懂，今天我们就先来介绍下lucene的查询逻辑的各个阶段。

lucene 查询过程分析

先放上一张查询过程的流程图，下面的分析其实都是对这张图的更详细的介绍。

lucene的查询可以大致分为4个阶段，重写查询，创建查询weight对象，创建scorer对象准备计分，进行统计计分。

简单解释下这4个阶段;

1, 重写查询语句( rewrite query )

lucene提供了比较丰富的外部查询类型，像wildcardQuery,MatchQuery等等，但它们最后都会替换为比较底层的查询类型，例如wildcardQuery会被重写为MultiTermsQuery。

2, 创建查询weight对象( createWeight )

Query对象创建的权重对象， lucece的每个查询都会计算一个该查询占用的权重值，如果是不需要计分的，则权重值是一个固定常量，得到的文档结果是根据多个查询的权重值计算其得分的。下面是Weight 对象涉及的方法，

其中，scorer(LeafReaderContext context) 方法是个抽象方法，需要子类去实现的。

public abstract Scorer scorer(LeafReaderContext context) throws IOException;

方法返回的scorer对象拥有遍历倒排列表和统计文档得分的功能，下面会讲到实际上weight对象是创建BulkScore进行计分的，但BulkScore内部还是通过score对象进行计分。

再详细解释下Scorer对象中比较重要的方法;

• iterator() 方法返回的DocIdSetIterator 对象提供了遍历倒排列表的能力。如下是DocIdSetIterator 涉及的方法，其中docID()是为了返回当前遍历到的倒排列表的文档id，nextDoc()则是将遍历指针移动到下一个文档，并且返回文档id，advance 用于移动遍历指针。

• twoPhaseIterator 方法提供对文档二次精准匹配的能力，比如在matchPhrase查询中，不但要查出某个词，还要求查出的词之间相对顺序不变，那么这个相对顺序则是通过twoPhaseIterator的matches方法去进行判断。

3, 创建bulkScorer对象( weight.bulkScore)

weight 对象会调用BulkScore方法创建BulkScorer对象，bulkScorer 内部首先调用的是scorer抽象方法(需要由weight子类去实现的方法)，得到的scorer对象再拿去构建DefaultBulkScorer 对象，所以说，实际上最后计分的还是通过scorer对象进行计分的。

public BulkScorer bulkScorer(LeafReaderContext context) throws IOException {  

  Scorer scorer = scorer(context);
  if (scorer == null) {
    // No docs match
    return null;
  }  

  // This impl always scores docs in order, so we can
  // ignore scoreDocsInOrder:
  return new DefaultBulkScorer(scorer);
}

bulkScorer类有如下方法，一个是提供对段所有文档进行计分，一个是可以在段的某个文档id范围内进行计分。

4, 进行统计计分

最后则是通过collector对象进行统计，这里提到了collecor对象，它其实是作为了上述bulkScorer的score方法参数传入的，在bulkScore.score方法内部，遍历文档时，对筛选出的文档会通过调用collector.collect(doc)方法进行收集，在collect方法内部，则是调用scorer对象对文档进行打分。

完整的搜索流程如下

public <C extends Collector, T> T search(Query query, CollectorManager<C, T> collectorManager)
    throws IOException {
  final C firstCollector = collectorManager.newCollector();
  // 重写查询对象
  query = rewrite(query, firstCollector.scoreMode().needsScores());
  // 调用indexSearch的createWeight方法，本质上还是调用的Query的createWeight方法
  final Weight weight = createWeight(query, firstCollector.scoreMode(), 1);
  return search(weight, collectorManager, firstCollector);
}

// 简化了代码，保留了主流程，调用scorer.score 进行计分。
protected void search(List<LeafReaderContext> leaves, Weight weight, Collector collector){
	// 得到每个segment段的收集器，源代码是可以在线程池中同时对几个segment进行搜索的，这里省略了。
	leafCollector = collector.getLeafCollector(ctx);
	BulkScorer scorer = weight.bulkScorer(ctx);
	// 将收集器作为buklScore.score参数传入，对文档进行计分。
	scorer.score(leafCollector, ctx.reader().getLiveDocs());
	leafCollector.finish();
}

profile api 返回结果分析

理清楚了lucene的搜索逻辑，我们再来看看通过profile api返回的各个阶段耗时是统计的哪段逻辑。

在使用elasticsearch 的profile api 时，会返回如下的统计阶段

如果不了解源码可能会对这些统计指标比较疑惑，结合刚才对lucece 源码的了解来看下几个比较常见的统计指标。

next_doc 是取倒排链表中当前遍历到的文档id，并且把遍历的指针移动到下一个文档id消耗的时长。

score 是weight.scorer方法创建的score对象，进行文档计分的操作时消耗的时长。

match 是 twoPhaseIterator进行二次匹配判断时消耗的时长。

advance 是直接将遍历的指针移动到特定文档id处消耗的时长。

build_score 是weight对象在通过weight.scorer方法创建score对象时所耗费的时长。

create_weight 是query对象在调用其自身createWeight方法创建weight对象时耗费的时长。

set_min_competitive_score,compute_max_score,shallow_advance 我也还没彻底弄懂它们用到的所有场景，这里暂不做分析。

这里还要注意的一点是，像布尔查询是结合了多个子查询的结果，它内部会构造特别的scorer对象，比如ConjunctionScorer 交集scorer，它的next_doc 方法则是需要对其子查询的倒排链表求交集，所以你在用profile api 分析时，可能会看到布尔查询的next_doc 耗时较长，而其子查询耗时较长的逻辑则是advance，因为倒排列表合并逻辑会有比较多的advance移动指针的动作。

profile api 的实现原理

最后，我再来谈谈elasticsearch 是如何实现profile 的，lucene的搜索都是通过IndexSearcher对象来执行的，IndexSearcher在调用query对象自身的rewrite 方法重写query后，会调用IndexSearcher 的createWeight 方法来创建weight对象(本质上底层还是使用的query的createWeight方法)。

elasticsearch 继承了IndexSearcher ，重写了createWeight，在原本weight对象的基础上，封装了一个profileWeight对象。以下是关键代码。

public Weight createWeight(Query query, ScoreMode scoreMode, float boost) throws IOException {
    if (profiler != null) {
        // createWeight() is called for each query in the tree, so we tell the queryProfiler
        // each invocation so that it can build an internal representation of the query        // tree        QueryProfileBreakdown profile = profiler.getQueryBreakdown(query);
        Timer timer = profile.getNewTimer(QueryTimingType.CREATE_WEIGHT);
        timer.start();
        final Weight weight;
        try {
            weight = query.createWeight(this, scoreMode, boost);
        } finally {
            timer.stop();
            profiler.pollLastElement();
        }
        return new ProfileWeight(query, weight, profile);
    } else {
        return super.createWeight(query, scoreMode, boost);
    }
}

基于文章开头的lucene查询逻辑分析，可以知道，scorer对象最后也是通过weight对象的scorer方法得到的，所以创建出来的profileWeight的scorer方法通用也对返回的scorer对象封装了一层，返回的是profileScorer对象。

public Scorer scorer(LeafReaderContext context) throws IOException {
    ScorerSupplier supplier = scorerSupplier(context);
    if (supplier == null) {
        return null;
    }
    return supplier.get(Long.MAX_VALUE);
}  

@Override
public ScorerSupplier scorerSupplier(LeafReaderContext context) throws IOException {
    final Timer timer = profile.getNewTimer(QueryTimingType.BUILD_SCORER);
    timer.start();
    final ScorerSupplier subQueryScorerSupplier;
    try {
        subQueryScorerSupplier = subQueryWeight.scorerSupplier(context);
    } finally {
        timer.stop();
    }
    if (subQueryScorerSupplier == null) {
        return null;
    }  

    final ProfileWeight weight = this;
    return new ScorerSupplier() {  

        @Override
        public Scorer get(long loadCost) throws IOException {
            timer.start();
            try {
                return new ProfileScorer(weight, subQueryScorerSupplier.get(loadCost), profile);
            } finally {
                timer.stop();
            }
        }  

        @Override
        public long cost() {
            timer.start();
            try {
                return subQueryScorerSupplier.cost();
            } finally {
                timer.stop();
            }
        }
    };
}

剩下的就好办了，在profileScore对象里对scorer对象的原生方法前后加上时间统计即可对特定方法进行计时了。比如下面代码中profileScore的advanceShallow方法。

public int advanceShallow(int target) throws IOException {
    shallowAdvanceTimer.start();
    try {
        return scorer.advanceShallow(target);
    } finally {
        shallowAdvanceTimer.stop();
    }
}

总结

通过本篇文章，应该可以对lucene的查询过程有了大概的了解，但其实对于elasticsearch的慢查询分析还远远不够，因为像布尔查询,wilcard之类的比较复杂的查询，我们还得弄懂，它们底层是究竟如何把一个大查询分解成小查询的。才能更好的弄懂查询耗时的原因，所以在下一节，我会讲解这些比较常见的查询类型的内部重写和查询逻辑。