ES101系列07 | 分布式系统和分页

本篇文章主要讲解 ElasticSearch 中分布式系统的概念，包括节点、分片和并发控制等，同时还会提到分页遍历和深度遍历问题的解决方案。

节点

• 节点是一个 ElasticSearch 示例
  • 其本质就是一个 Java 进程
  • 一个机器上可以运行多个示例但生产环境推荐只运行一个
• 每一个节点都有名字，通过配置文件配置
• 每一个节点启动后都会分配一个 UID，保存在 data 目录下

Coordinating Node

• 处理请求的节点，叫 Coordinating Node
  • 路由请求到正确的节点，例如创建索引的请求，需要路由到 Master
• 所有节点默认都是 Coordinating Node
• 通过将其他类型设置成 False，使其成为 Dedicated Coordinating Node

Data Node

• 可以保存数据的节点，叫做 Data Node
  • 节点启动后，默认就是数据节点。可以设置 node.data:false 禁止
• Data Node 的职责
  • 保存分片数据。在数据扩展上起到了至关重要的作用（由 Master Node 决定如何把分片分发到数据节点上）
• 通过增加数据节点
  • 可以解决数据水平扩展和解决数据单点问题

Master Node

• Master Node 的职责
  • 处理创建，删除索引等请求/决定分片被分配到哪个节点 /负责索引的创建与删除
  • 维护并且更新 Cluster State
• Master Node 的最佳实践
  • Master 节点非常重要，在部署上需要考虑解决单点的问题
  • 为一个集群设置多个 Master 节点/每个节点只承担 Master 的单一角色

Master Eligible Nodes

• 一个集群，支持配置多个 Master Eligible 节点。这些节点可以在必要时（如 Master 节点出现故障，网络故障时）参与选主流程，成为 Master 节点
• 每个节点启动后，默认就是一个 Master Eligible 节点
  • 可以设置 node.master: false 禁止
• 当集群内第一个 Master Eligible 节点启动时候，它会将自己选举成 Master 节点

选主过程

• 互相 Ping 对方，Node ld 低的会成为被选举的节点
• 其他节点会加入集群，但是不承担 Master 节点的角色。一旦发现被选中的主节点丢失，就会选举出新的 Master 节点

脑裂问题

• Split-Brain，分布式系统的经典网络问题，当出现网络问题，一个节点和其他节点无法连接
  • Node 2 和 Node 3 会重新选举 Master
  • Node 1 自己还是作为 Master 组成一个集群，同时更新 Cluster State
  • 导致 2 个 Master 维护不同的 Cluster State，当网络恢复时，无法选择正确恢复

解决方法

• 限定选举条件，设置 quorum（仲裁），只有当 Master Eligible 节点数大于 quorum 时才能进行选举
• 7.0 后无需配置

分片

Primary Shard

• 分片是 ElasticSearch 分布式存储的基石（主分片 / 副本分片）
• 通过主分片，将数据分布在所有节点上
  • Primary Shard 可以将一份索引的数据分散在多个 Data Node 上，实现存储的水平扩展
  • 主分片数在索引创建时候指定，后续默认不能修改，如要修改需重建索引

Replica Shard

• 数据可用性
  • 通过引入副本分片（Replica Shard）提高数据的可用性。一旦主分片丢失，副本分片可以 Promote 成主分片。副本分片数可以动态调整。每个节点上都有完备的数据。如果不设置副本分片，一旦出现节点硬件故障，就有可能造成数据丢失
• 提升系统的读取性能
  • 副本分片由主分片（Primary Shard）同步。通过支持增加 Replica 个数，一定程度可以提高读取的吞吐量

分片数的设定

• 如何规划一个索引的主分片数和副本分片数
  • 主分片数过小：例如创建了 1 个 Primary Shard 的 Index。如果该索引增长很快，集群无法通过增加节点实现对这个索引的数据扩展
  • 主分片数设置过大：导致单个 Shard 容量很小，引发一个节点上有过多分片，影响性能
  • 副本分片数设置过多，会降低集群整体的写入性能

集群健康状态

GET /_cluster/health

{
  "cluster_name" : "lanlance",
  "status" : "green",
  "timed_out" : false,
  "number_of_nodes" : 2,
  "number_of_data_nodes" : 2,
  "active_primary_shards" : 21,
  "active_shards" : 42,
  "relocating_shards" : 0,
  "initializing_shards" : 0,
  "unassigned_shards" : 0,
  "delayed_unassigned_shards" : 0,
  "number_of_pending_tasks" : 0,
  "number_of_in_flight_fetch" : 0,
  "task_max_waiting_in_queue_millis" : 0,
  "active_shards_percent_as_number" : 100.0
}

• Green：健康状态，所有的主分片和副本分片都可用
• Yellow：亚健康，所有的主分片可用，部分副本分片不可用
• Red：不健康状态，部分主分片不可用

文档到分片的路由算法

• $s\; h\; a\; r\; d\; =\; h\; a\; s\; h\; (\; r\; o\; u\; t\; i\; n\; g\; )\; /\; 主分片数\; shard\; =\; hash(routing)\; /\; 主分片数$shard=hash(routing)/主分片数
  • Hash 算法确保文档均匀分散到分片中
  • 默认 routing 值是文档 id
  • 可以自行制定 routing 值，与业务逻辑绑定也可以
  • 是 Primary Shard 数不能修改的根本原因

删除一个文档的流程

分片的内部原理

倒排索引的不可变性

倒排索引采用 Immutable Design，一旦生成，不可更改

不可变性，带来了的好处如下：

• 无需考虑并发写文件的问题，避免了锁机制带来的性能问题
• 一旦读入内核的文件系统缓存，便留在哪里。只要文件系统存有足够的空间，大部分请求就会直接请求内存，不会命中磁盘，提升了很大的性能
• 缓存容易生成和维护/数据可以被压缩

但坏处是如果需要让一个新的文档可以被搜索，需要重建整个索引。

Lucene Index

• 在 Lucene 中，单个倒排索引文件被称为 Segment。Segment 是自包含的，不可变更的。多个 Segments 汇总在一起称为 Lucene 的 Index，其对应的就是 ES 中的 Shard
• 当有新文档写入时，会生成新 Segment，查询时会同时查询所有 Segments，并且对结果汇总。Lucene 中有一个文件用来记录所有 Segments 信息，叫做 Commit Point

Refresh

• 将 Index buffer 写入 Segment 的过程叫 Refresh。Refresh 不执行 fsync 操作
• Refresh 默认 1 秒发生一次，可通过 index.refresh_interval 配置。Refresh 后数据就可以被搜索到了。这也是为什么 ElasticSearch 被称为近实时搜索
• 如果系统有大量的数据写入，那就会产生很多的 Segment
• Index Buffer 被占满时会触发 Refresh，默认值是 JVM 的 10％

Transaction Log

• Segment 写入磁盘的过程相对耗时，借助文件系统缓存，Refresh 时先将 Segment 写入缓存以开放查询
• 为了保证数据不会丢失，所以在 Index 文档时同时写 Transaction Log，高版本开始 Transaction Log 默认落盘。每个分片有一个 Transaction Log
• 在 ES Refresh 时 Index Buffer 被清空，Transaction log 不会清空

Flush

• 调用 Refresh，清空 Index Buffer
• 调用 fsync，将缓存中的 Segments 写入磁盘
• 清空 Transaction Log

默认 30 分钟调用一次，当 Transaction Log 满时（默认 512 MB）也会调用

Merge

• Segment 很多，需要被定期合并
  • 减少 Segments / 真正删除已经删除的文档
• ES 和 Lucene 会自动进行 Merge 操作
  • POST my_index / _forcemerge

分布式搜索的运行机制

ElasticSearch 的搜索会分为 Query 和 Fetch 两阶段进行。

Query

• 用户发出搜索请求到 ES 节点。节点收到请求后，会以 Coordinating 节点的身份，在 6 个主副分片中随机选择 3 个分片，发送查询请求。
• 被选中的分片执行查询，进行排序。每个分片都会返回 From+Size 个排序后的文档 Id 和排序值给 Coordinating 节点。

Fetch

• Coordinating Node 会将 Query 阶段从每个分片获取的排序后的文档 Id 列表重新进行排序。选取 From 到 From+Size 个文档的 Id。
• 以 multiget 请求的方式到相应的分片获取详细的文档数据。

潜在有性能不好和相关性算分不准的问题。

解决算分不准的问题

• 数据量不大的时候主分片数设置为 1，数据量大的时候保证文档均匀分散在各个分片上。
• 使用 DFS Query Then Fetch。会进行一次完整的相关性算法，耗费更多资源，性能不好。

排序

• 排序是针对字段原始内容进行的，倒排索引无法发挥作用，需要正排索引。
• ElasticSearch 中有两种实现方法。
  • FieldData
  • Doc Values（列式存储，对 Text 类型无效）

Doc Values 和 Field Data 比较：

特性	Doc Values	Field Data
存储位置	磁盘 (内存映射访问)	堆内存 (JVM Heap)
加载时机	按需加载 (惰性加载到 OS 缓存)	按需构建 (首次用于聚合/排序时构建在内存中)
数据结构	列式存储 (按文档 ID 组织值)	列式存储 (按段构建)
适用字段	keyword, numeric, date, ip, boolean	text (默认关闭)，其他字段类型 (已废弃)
默认启用	是 (对于支持它的字段类型)	否 (尤其对于 text 字段，7.0+ 默认关闭)
内存占用	低 (利用 OS 文件缓存，不直接占用 JVM 堆)	高 (直接占用 JVM 堆内存)
垃圾回收	无影响 (由 OS 管理缓存)	显著影响 (对象在堆上，易引发 GC 压力)
适用操作	聚合、排序、脚本 (高效)	text 字段聚合 (分词后的词条)
安全性	高 (不易引发 OOM)	低 (不当配置易导致节点 OOM)
版本趋势	推荐并默认	仅限 text 字段聚合需求 (其他字段已弃用)

分页和遍历

分布式系统中深度分页的问题

• ES 天生就是分布式的。查询信息同时数据保存在多个分片、多台机器上，ES 天生就需要满足排序的需要（按照相关性算分）。
• 当一个查询：From=990，Size =10。会在每个分片上先都获取 1000 个文档。通过 Coordinating Node 聚合所有结果。最后再通过排序选取前 1000 个文档。
• 页数越深，占用内存越多。为了避免深度分页带来的内存开销。ES 有一个设定，默认限定到 10000 个文档。

使用 Search After 避免深度分页问题

• 避免深度分页的性能问题，可以实时获取下一页文档信息
  • 不支持指定页数 (From)
  • 只能往下翻
• 第一步搜索需要指定 sort，并且保证值是唯一的 (可以通过加入 id 保证唯一性)
• 然后使用上一次最后一个文档的 sort 值进行查询。

示例

1、插入数据

POST users/_doc
{"name":"user1","age":10}
POST users/_doc
{"name":"user2","age":11}
POST users/_doc
{"name":"user2","age":12}
POST users/_doc
{"name":"user2","age":13}

2、执行查询

POST users/_search
{
    "size": 1,
    "query": {
        "match_all": {}
    },
    "sort": [
        {"age": "desc"} ,
        {"_id": "asc"}    
    ]
}

POST users/_search
{
    "size": 1,
    "query": {
        "match_all": {}
    },
    "search_after":
        [
          10,
          "ZQ0vYGsBrR8X3IP75QqX"],
    "sort": [
        {"age": "desc"} ,
        {"_id": "asc"}    
    ]
}

Scroll API

Scroll API 是 Elasticsearch 为大数据集深度遍历 设计的查询机制，通过创建快照式上下文（Snapshot Context）保证分页一致性，适用于离线导出、全量迁移等场景。

示例

DELETE users
POST users/_doc
{"name":"user1","age":10}
POST users/_doc
{"name":"user2","age":20}
POST users/_doc
{"name":"user3","age":30}
POST users/_doc
{"name":"user4","age":40}

POST /users/_search?scroll=5m
{
    "size": 1,
    "query": {
        "match_all" : {
        }
    }
}

// 这条数据无法查到
POST users/_doc
{"name":"user5","age":50}

POST /_search/scroll
{
    "scroll" : "1m",
    "scroll_id" : "DXF1ZXJ5QW5kRmV0Y2gBAAAAAAAAAWAWbWdoQXR2d3ZUd2kzSThwVTh4bVE0QQ=="
}

Scroll API 与 Search After 的对比

特性	Search After	Scroll API
设计目标	实时深度分页（用户交互场景）	大数据集离线遍历（导出/迁移）
实时性	基于当前索引状态（实时可见变更）	快照冻结（创建后索引变更不可见）
内存消耗	低（无服务端状态）	高（服务端维护上下文，占用堆内存）
分页一致性	依赖 PIT 保障一致性	天然一致性（快照隔离）
适用场景	用户界面逐页浏览（如订单列表翻页）	全量数据导出、ETL 迁移、离线分析
是否支持跳页	❌ 仅顺序连续分页	❌ 仅顺序连续遍历
资源释放	无状态（客户端自主管理游标）	需显式删除 Scroll ID（否则超时释放）
性能开销	低（分片级游标定位）	中（维护上下文，但比 from/size 高效）
最大深度	仅受文档总数限制	同左
推荐排序方式	业务字段 + _id（确保唯一性）	["_doc"]（最高效，避免排序计算）
版本演进	主流实时分页方案（结合 PIT 使用）	逐渐被 Async Search 替代（大数据异步查询）

并发控制

ES 使用乐观锁进行并发控制。

ES 的乐观并发控制

ES 中的文档是不可变更的。如果你更新一个文档，会将就文档标记为删除，同时增加一个全新的文档。同时文档的 version 字段加 1。

示例

DELETE products
PUT products
PUT products/_doc/1
{
  "title":"iphone",
  "count":100
}

// success
PUT products/_doc/1?if_seq_no=1&if_primary_term=1
{
  "title":"iphone",
  "count":100
}

// fail
PUT products/_doc/1?if_seq_no=1&if_primary_term=1
{
  "title":"iphone",
  "count":102
}

// success
PUT products/_doc/1?version=30000&version_type=external
{
  "title":"iphone",
  "count":100
}

写在最后

这是该系列的第七篇，主要讲解 ElasticSearch 中分布式系统的概念，包括节点、分片和并发控制等，同时提到了分页遍历和深度遍历问题的解决方案。可以自己去到 Kibana 的 Dev Tool 实战操作，未来会持续更新该系列，欢迎关注👏🏻。

同时欢迎关注公众号：LanTech指南。不定时分享职场思考、独立开发日志、大厂方法论和后端经验❤️

参考

1. github.com/onebirdrock...
2. www.elastic.co/elasticsear...