Question

ElasticSearch核心之——分布式特性

Answer 1

ES支持集群模式，是一个分布式系统，其好处主要有两个∶

es集群由多个ES 实例组成。不同集群通过集群名字来区分，可通过 cluster.name 进行修改，默认为elasticsearch。每个ES实例本质上是一个 JVM 进程，且有自己的名字，通过 node.name 进行修改

ES集群相关的数据称为 cluster state ，主要记录如下信息∶节点信息，比如节点名称、连接地址等；索引信息，比如索引名称、配置等

可以修改 cluster state 的节点称为master节点，一个集群只能有一个 cluster state 存储在每个节点上，master维护最新版本并同步给其他节点
master节点是通过集群中所有节点选举产生的，可以被选举的节点称为 master-eligible 节点 ，相关配置如下: node.master: true

处理请求的节点即为coordinating节点，该节点为所有节点的默认角色，不能取消。路由请求到正确的节点处理，比如创建索引的请求到master节点

存储数据的节点即为data节点，默认节点都是data类型，相关配置如下∶ node.data: true

谈及副本和分片两个概念之前，我们先说一下这两个概念存在的意义： 解决系统可用性和增大系统容量
我们想象这样一个场景，我们的数据只存放在一台ES服务器上，那么一旦这台ES出现宕机或者其他不可控因素影响的话，我们除了丧失了服务的可用性外，可能还存在着数据丢失的可能。同时，单机服务的存储容量也无法应对项目对大数据量的要求。

系统可用性可以分为 服务可用性 和 数据可用性
服务可用性 含义为：当前服务挂掉后，是否有其他服务器顶替当前节点提供服务支持。
数据可用性 含义为：当前服务挂掉后，存储在当前服务器上的数据，是否还可以对外提供访问和修改的服务。
副本可以理解为是某个数据的复制体，副本和源数据内容一致。副本的存在可以有效地满足系统可用性的需求，比如说，我们可以在原有节点的基础上复制一个和源节点一模一样的节点，这样一旦原有节点挂掉了，另外一个节点也还是可以替代源节点提供服务，而且复制出来的节点拥有和源节点一样的数据，这样也保障了数据可用性。

我们在上一小节讲到可以使用副本来解决系统可用性的问题，但是这里存在一个问题，不管存在多少个副本（节点），都无法增大源节点的存储空间。在这个问题上，ES引入了Shard分片这个概念来解决问题。

看完分片的特点后可能还有人不太清楚到底什么是分片，其实分片是n/1个源节点数据。比如说原ES集群中只有一个主节点，所有的索引数据都存储在这个节点上。现在我们将某个索引数据分成3份，分别存放在3个ES节点上，那么每台ES服务器上就各自有1个分片shard。该索引的所有节点Shard分片的集合，就是索引的全部数据。
下面我们来演示一下：

为了更好的了解ES的分片机制，大家不妨在上面的案例上进一步思考两个问题：

答案是不能。原因是我们创建索引时定义的分片数量只有3个，且都已经落在了3个节点上。所以即使再增加多一个节点，也不会有对应的Shard分片可以落在新的节点上，并不能扩大 test_shard_index 的数据容量。

答案是不能。因为新增的副本也是分布在这3个节点上，还是利用了同样的资源。如果要增加吞吐量，还需要新增节点。

通过上面两个问题，相信大家已经可以认识到分片的重要性，分片数过小，会导致后续无法通过增加节点实现水平扩容；（副本）分片数过大会导致一个节点上分布过多分片，造成资源浪费，同时会影响查询性能

集群健康状况，包括以下三种: green健康状态，指所有主副分片都正常分配； yellow指所有主分片都正常分配，但是有副本分片未正常分配； red表示有主分片未分配
我们可以通过这个api查看集群的状态信息： GET _cluster/health

我们也可以通过cerebro或者head插件来直接获取当前集群的状态

需要注意的是，即使当前集群的状态为 red ，也并不代表当前的ES丧失了提供服务的能力。只是说未被分配主分片的索引无法正常存储和操作而已。

这里故障转移的意思是，当ES集群出现某个或者多个节点宕机的情况，ES实现服务可用性的应对策略。
这里我们新建一个分片为3，副本为1的索引，分片分别分布在三个节点，此时集群为 green
当master节点所在机器宕机导致服务终止，此时集群会如何处理呢?

我们可以看到，从node1主节点宕机到ES恢复集群可用性的过程中，ES有着自己的故障转移机制，保障了集群的高可用性。我们也可以在自己的本地上去进行试验，建好索引后，kill掉主节点，观察集群状态就行。
同时，此时就算node2宕机了，那么node3也能够很快的恢复服务的提供能力。

我们知道，我们创建的文档最终会存储在分片上，那么在分布式集群的基础上，ES集群是怎么判断当前该文档最终应该落在哪一个分片上呢？
很显然，我们需要一个可以实现文档均匀分布到各个分片上的映射算法，那么常见的随机算法和round-robin（轮询）算法可以满足需要吗？答案是不可以，这两个算法虽然可以实现文档均匀分布分片的存储需要，但是当我们通过 DocumentId 查询文档时，ES并不能知道这个文档ID到底存储在了哪个节点的分片上，所以只能够从所有分片上检索，时间长。如果我们为这个问题建立一个文档和分片映射关系的表，虽然确实可以快速定位到文档对应的存储分片，但是当文档的数据量很大的时候，那么检索的效率也会随之变低。

对于上面这个问题，ES提供的解决方法是 建立文档到分片的映射算法
es 通过如下的公式计算文档对应的分片：

hash算法 保证可以将数据均匀地分散在分片中
routing 是一个关键参数，默认是文档id，也可以自行指定
number_of_primary_shards 是主分片数
我们可以看到，该算法与主分片数相关， 这也是分片数一旦确定后便不能更改的原因

我们已经知道了ES是如何将文档映射到分片上去了，下面我们就来详细讲解一下文档创建、读取的流程。

脑裂问题，英文为 split-brain ，是分布式系统中的经典网络问题，如下图所示:
3个节点组成的集群，突然node1的网络和其他两个节点中断

解决方案为 仅在可选举master-eligible节点数大于等于quorum时才可以进行master选举

在讲文档搜索实时性之前，先讲一下倒排索引的不可变更特性。由于倒排索引一旦生成，不可变更的特定，使得其有着以下3点好处：

下面，将针对Lucene实现文档实时性搜索的几个动作进行讲解，分析其是如何在新增文档后实现ES的搜索实时性的。

我们从上面的描述中知道，当我们新增了一个文档后会新增一个倒排索引文件 segment ，但是 segment 写入磁盘的时间依然比较耗时（难以实现实时性），所以ES借助文件系统缓存的特性， 先将 segment 在缓存中创建并开放查询来进一步提升实时性 ，该过程在es中被称为refresh。
在refresh之前文档会先存储在一个buffer中，refresh时将 buffer中的所有文档清空并生成 segment
es默认每1秒执行一次refresh，因此文档的实时性被提高到1秒 ，这也是es被称为近实时(Near Real Time)的原因

reflush虽然通过 将文档存放在缓存中 的方式实现了秒级别的实时性，但是如果在内存中的segment还没有写入磁盘前发生了宕机，那么其中的文档就无法恢复了，如何解决这个问题呢?
ES 引入 translog 机制。写入文档到 buffer 时，同时将该操作写入 translog 中。
translog文件会即时写入磁盘(fsync)，在ES 6.x中，默认每个请求都会落盘，我们也可以修改为每5秒写一次，这样风险便是丢失5秒内的数据，相关配置为index.translog.*。同时ES每次启动时会检查translog 文件，并从中恢复数据。

flush 负责将内存中的segment写入磁盘，主要做如下的工作:

Reflush和Flush执行的时机

ES的做法是 首先删除文档，然后再创建新文档

我们上面提到，新增文档是通过新建segment来解决，删除文档是通过维护.del文件来进行的，假如现在我们设置的 reflush 时间间隔为1秒，那么一小时单个ES索引就会生成3600个segment，一天下来乃至一个月下来会产生的segment文件数量更是不可想象。为了解决Segment过多可能引起的性能下降问题，ES中采用了Segment Merging（即segment合并）的方法来减少segment的数量。
执行合并操作的方式有两种，一种是ES定时在后台进行 Segment Merging 操作，还有一种是我们手动执行 force_merge_api 命令来实现合并操作。