Elasticsearch高并发写入优化的开源协同经历

导语：在腾讯金融科技数据应用部的全民 BI 项目里，我们每天面对超过 10 亿级的数据写入，提高 ES 写入性能迫在眉睫，在最近的一次优化中，有幸参与到了 Elasticsearch 开源社区中。

本文是腾讯开源团队投稿。

背景

为了更便捷地分析数据，腾讯金融科技数据应用部去年推出了全民 BI 的系统。这个系统通过 Elasticsearch 进行基础的统计，超过 10 亿级的数据量需要尽可能快速地导入到 ES 系统中。即使经过多次的参数优化，我们依然需要几个小时才能完成导入，这是系统此前存在的一大瓶颈。

在这样的背景下，我们开始决定进一步深入 ES，寻找优化点。

优化前的准备

我们准备了 1000 万的数据，并在原程序（Spark 程序写入）上进行了几轮单机压测，得到了一些基本的性能数据。

机器配置：CPU 24核，内存 64G

ES 基本配置：

• 堆内存 31G

• 其他参数调整包括 lock memory，translog.durability 调整成 async 等(更详细的策略可以参见
  https://github.com/elastic/elasticsearch/issues/45371)

文档数：1000 万，字段 400 个（没有 text 字段）

写入耗时：26 分钟
CPU：80%+

寻找理论值

在往下进入深水区之前，我们需要先回顾一下 ES 本身，ES 本身是在 Lucene 基础上设计的分布式搜索系统，在写入方面主要提供了：

• 事务日志和成组提交的机制提高写入性能并保证可靠性

• 提供 schema 的字段定义（映射到 Lucene 的字段类型）

要进行优化，首先得验证一个问题：Lucene 的极限速率能到达多少，所以我在我的本机上构建了这样的一个测试。

Macbook Pro 15，6核12线程
数据量 1000 万，每个 document 400 个字段，10 个线程并发（考虑 mac cpu Turbo 4.5G ，服务器 2.4G（24核），所以只采用 10 线程并发）
验证写入耗时 549s（约 10 分钟）。

26 分钟 —> 10 分钟，意味着理论上是可行的。那剩下的就看如何接近这个极限。因为那说明一定是 ES 本身的一些默认特性导致了写入速率无法提升。

下面的介绍忽略了一些相对简单的参数调优，比如关闭 docvalues，这个对于非 text 字段，ES 默认开启，对于不需要 groupby 的场景，是不必要的，这个可以减少不少性能。

经过初步的参数优化写入耗时降低到了 18 分钟，这是后面继续往下优化的基础。

理解 ES 写入的机制

ES 的写入流程（主分片节点）主要有下面的几步

• 根据文档 ID 获取文档版本信息，判断进行 add 或 update 操作

• 写 Lucene：这里只写内存，会定期进行成组提交到磁盘生成新分段

• 写 translog：写入文件

▲ translog 作用

除了上面的直接流程，还有三个相关的异步流程

• 定期进行 flush，对 Lucene 进行 commit

• 定期对 translog 进行滚动（生成新文件），更新 check point 文件

• 定期执行 merge 操作，合并 Lucene 分段，这是一个比较消耗资源的操作，但默认情况下都是配置了一个线程。

优化第一步 — 参数调优

写 Lucene 前面已经优化过，那么第一步的文档查找其实是在所有分段中进行查找，因为只提供了一个线程进行 merge，如果 merge 不及时，导致分段过的，必然影响文档版本这一块的耗时。

所以我们观察了写入过程中分段数的变化：

▲ 写入过程中分段的变化

观察发现，分段的增长速度比预期的快很多。按照默认配置，index_buffer=10%，堆内存 31G 的情况，按 Lucene 的写分段机制，平均到每个线程，也有 125M，分段产生的速度不应该那么快。而这个问题的根源就是 flush_threshold_size 默认值只有 512M ，这个参数表示在当未提交的 translog 日志达到该阈值的时候进行一次刷盘操作。

▲ 小分段的产生

▲ 调整后比较缓和的分段增长

测试结果一看：18 分钟！基本没有效果！

理论上可行的方案，为什么却没有效果，带着这个疑问继续潜入深水区。

优化继续 — 线程分析

这时候就需要进行堆栈分析了，多次取样后，发现了下面的一个频繁出现的现象：

▲ 被堵塞的线程

发现很多线程都停在了获取锁的等待上，而 writeLock 被 rollGeneration 占用了。

写线程需要获取 readLock
rollGeneration 拿走了 writeLock，会阻塞 readLock

而在高 flush_threshold_size 的配置下，rollGeneration 发生了 300+ 次，每次平均耗时 560ms，浪费了超过 168s，而这个时间里写入线程都只能等待，小分段的优化被这个抵消了。

这里有很多的关联关系，lush 操作和 rollGeneration 操作是互斥的，因为 flush 耗时较长（5~10 秒左右），在默认 flush_threshold_size 配置下，rollGeneration 并没有这么频繁在 100 次左右，提高 flush_threshold 放大了这个问题。

初步优化方案提交

因为我们在写入过程中使用的 translog 持久化策略是 async，所以我很自然地想到了把写日志和刷盘异步化。

▲ 初版提交社区的方案

一开始的方案则想引入disruptor，消除写线程之间的竞争问题，后面因为es的第三方组件检查禁止使用sun.misc.Unsafe （disruptor无锁机制基于Unsafe实现）而放弃。
基于这个方案，测试结果终于出现了跨越：13分钟。

初版的方案问题比较多，但是它有两个特点：

• 足够激进：在配置为 async 策略时，将底层都异步化了

• 凸显了原方案的问题：让大家看到了 translog 写入的影响

Elastic 创始人加入讨论

没想到的是，在社区提交几次优化后，竟然吸引了大佬 Simon Willnauer 的加入。

Simon Willnauer

• Elastic 公司创始人之一和技术 Leader

• Lucene Core Commiter and PMC Member

Simon 的加入让我们重新复盘了整个问题。

通过对关键的地方增加统计信息，我最终明确了关键的问题点在于 FileChannel.force 方法，这个操作是最耗时的一步。

sync 操作会调用 FileChannel.force，但没有在 writer 的对象锁范围中，所以影响较小。但是因为 rollGeneration 在 writeLock 中执行，所以阻塞的影响范围就变大了

跟社区讨论后，Simon 最后建议了一个折中的小技巧，就是在关闭原 translog 文件之前（writeLock 之外），先执行一次刷盘操作。

▲ 代码修改

这个调整的效果可以让每次 rollGeneration 操作的耗时从平均 570ms 降低到 280ms，在我的基准测试中（配置 flush_threhold_size=30G，该参数仅用于单索引压测设计，不能在生产环境使用），耗时会从 18 分钟下降到 15 分钟。

事实上，这并不是一个非常令人满意的解决方案，这里选择这个方案主要出于两点考虑：

1.未来新的版本将考虑不使用 translog 进行副分片的 recovery，translog 的滚动策略会进行调整（具体方案 elasitc未透露）

2.这个修改非常的风险非常小

提交社区

最后根据讨论的最终结论，我们重新提交了 PR，提交了这个改动，并合并到了主干中。

总结和待续

下面是 ES 写入中的影响关系和调用关系图，从图中可以看到各个因素直接的相互影响。

▲ InternalEngine 中的影响关系

最近提交的优化实时上只优化了 rollGeneration，而实际上这里还有一些优化空间 trimUnreferenceReader，这个也在跟社区沟通中，并需要足够的测试数据证明调整的效果，这个调整还在测试中。

而在我们目前实际应用场景中，我们通过调整下面两个参数提高性能：

• index.translog.flush_threshold_size 默认 512M，可以适当调大，但不能超过 indexBufferSize*1.5 倍/(可能并发写的大索引数量)，否则会触发限流，并导致 JVM 内存不释放！

• index.translog.generation_threshold_size（默认 64M，系统支持，但官方文档没有的参数，超过该阈值会产生新的 translog 文件），要小于 index.translog.flush_threshold_size，否则会影响 flush，进而触发限流机制

参考文档

张超《Elasticsearch源码解析与优化实战》

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