ElasticSearch工作原理简述

大家都知道ElasticSearch是一个基于Lucene库的搜索引擎，它提供了一个分布式、支持多租户的全文搜索引擎，具有HTTP Web接口和无模式JSON文档，Elasticsearch可以用于搜索各种文档。那么工作原理是怎么样的呢，我来简单的阐述下，共同学习：

ES写数据过程

首先我们先来了解下，es写数据的过程：
1）发起写入请求：客户端选择一个node（节点）发送写入数据请求过去，这个node就是coordinating node（协调节点）
2）转发写入请求：coordinating node对将要写入的document（文件）进行路由，将请求转发给对应的node（有primary shard）
3）处理写入数据：实际的node上的primary shard（主分片）处理数据写入请求，然后将数据同步到replica node（副本分片）
4）返回操作结果：coordinating node如果发现primary node和所有replica node都搞定之后，就返回响应结果给客户端

ES读数据过程

我们大致了解es写数据的过程，数据写入了某个document，这个document会自动给你分配一个全局唯一的id，doc id，同时也是根据doc id进行hash路由到对应的primary shard上面去。也可以手动指定doc id，比如用订单id，用户id。

当我们查询时，你可以通过doc id来查询，协调节点会根据doc id进行hash，判断出来当时把doc id分配到了哪个shard上面去，从那个shard去查询，具体查询流程如下：

1）发起查询请求：客户端发送请求到任意一个node，成为coordinate node
2）转发查询请求：coordinate node对document进行路由，将请求转发到对应的node，此时会使用round-robin随机轮询算法，在primary shard以及其所有replica中随机选择一个，让读请求负载均衡
3）处理查询请求：接收请求的node返回document给coordinate node
4）返回处理将结果：coordinate node返回document给客户端

ES搜索数据过程

上面说了这么多，其实es最强大的是做全文检索，就是比如你有三条数据

java真好玩儿啊
java好难学啊
j2ee特别牛

你根据java关键词来搜索，将包含java的document给搜索出来

es就会给你返回：java真好玩儿啊，java好难学啊。具体工作搜索流程如下：

1）发起查询请求：客户端发送搜索请求到coordinate node（协调节点）
2）转发查询请求：coordinate node将搜索请求转发到所有的shard对应的primary shard或replica shard
3）处理查询请求：每个shard将自己的搜索结果（其实就是一些doc id），返回给协调节点，由协调节点进行数据的合并、排序、分页等操作，产出最终结果
4）返回处理将结果：接着由协调节点，根据doc id去各个节点上拉取实际的document数据，最终返回给客户端

其实es的写数据、读数据，搜索数据的流程基本都一样都是通过协调节点来接收请求，然后再转发给相应的处理节点进行处理，最后通过协调节点返回处理结果，不一样的是，写数据先写到主分片，再同步到副本分片；而读数据的时候会进行随机轮询，随机选择一个分片处理数据请求；搜索数据是每个主分片或者副本分片处理搜索请求，然后由协调节点进行各种处理，然后整理好之后再返回给客户端。

ES写数据的底层原理

上面我说了es的工作流程，我们先来看来看张图片，这张图片展示了es写数据、读数据、搜索数据的过程：

然后重点是我们了解下写数据的底层实现：

1）当来了一条数据，然后将存储到磁盘的过程中，首先是写入buffer（缓冲队列），这个时候在buffer里的时候数据是搜索不到的；同时将数据写入translog日志文件

2）如果buffer快满了，或者到一定时间，就会将buffer数据refresh（刷新）到一个新的segment file（数据段文件）中，但是此时数据不是直接进入segment file的磁盘文件的，而是先进入os cache（操作系统缓存）的。这个过程就是refresh。

备注1：每隔1秒钟，es将buffer中的数据写入一个新的segment file，每秒钟会产生一个新的磁盘文件segment file，这个segment file中就存储最近1秒内buffer中写入的数据

备注2：如果buffer里面此时没有数据，那当然不会执行refresh操作，每秒创建换一个空的segment file，如果buffer里面有数据，默认1秒钟执行一次refresh操作，刷入一个新的segment file中

备注3：操作系统里面，磁盘文件其实都有一个东西，叫做os cache，操作系统缓存，就是说数据写入磁盘文件之前，会先进入os cache，先进入操作系统级别的一个内存缓存中去

备注4：只要buffer中的数据被refresh操作，刷入os cache中，就代表这个数据就可以被搜索到了

备注5：为什么叫es是准实时的？NRT，near real-time，准实时。默认是每隔1秒refresh一次的，所以es是准实时的，因为写入的数据1秒之后才能被看到。

备注6：可以通过es的restful api或者java api，手动执行一次refresh操作，就是手动将buffer中的数据刷入os cache中，让数据立马就可以被搜索到。

备注7：只要数据被输入os cache中，buffer就会被清空了，因为不需要保留buffer了，数据在translog里面已经持久化到磁盘去一份了

3）只要数据进入os cache，此时就可以让这个segment file的数据对外提供搜索了

4）重复1~3步骤，新的数据不断进入buffer和translog，不断将buffer数据写入一个又一个新的segment file中去，每次refresh完buffer清空，translog保留。随着这个过程推进，translog会变得越来越大。当translog达到一定长度的时候，就会触发commit（提交）操作。

备注1：buffer中的数据，倒是好，每隔1秒就被刷到os cache中去，然后这个buffer就被清空了。所以说这个buffer的数据始终是可以保持住不会填满es进程的内存的。

备注2：每次一条数据写入buffer，同时会写入一条日志到translog日志文件中去，所以这个translog日志文件是不断变大的，当translog日志文件大到一定程度的时候，就会执行commit操作。

5）commit操作发生第一步，就是将buffer中现有数据refresh到os cache中去，清空buffer

6）将一个commit point写入磁盘文件，里面标识着这个commit point对应的所有segment file

7）强行将os cache中目前所有的数据都fsync到磁盘文件中去

备注1：translog日志文件的作用是什么？就是在你执行commit操作之前，数据要么是停留在buffer中，要么是停留在os cache中，无论是buffer还是os cache都是内存，一旦这台机器死了，内存中的数据就全丢了。所以需要将数据对应的操作写入一个专门的日志文件，translog日志文件中，一旦此时机器宕机，再次重启的时候，es会自动读取translog日志文件中的数据，恢复到内存buffer和os cache中去。

备注2：commit操作：1、写commit point；2、将os cache数据fsync强刷到磁盘上去；3、清空translog日志文件

8）将现有的translog清空，然后再次重启启用一个translog，此时commit操作完成。默认每隔30分钟会自动执行一次commit，但是如果translog过大，也会触发commit。整个commit的过程，叫做flush操作。我们可以手动执行flush操作，就是将所有os cache数据刷到磁盘文件中去。

备注1：es中的flush操作，就对应着commit的全过程。我们也可以通过es api，手动执行flush操作，手动将os cache中的数据fsync强刷到磁盘上去，记录一个commit point，清空translog日志文件。

9）translog其实也是先写入os cache的，默认每隔5秒刷一次到磁盘中去，所以默认情况下，可能有5秒的数据会仅仅停留在buffer或者translog文件的os cache中，如果此时机器挂了，会丢失5秒钟的数据。但是这样性能比较好，最多丢5秒的数据。也可以将translog设置成每次写操作必须是直接fsync到磁盘，但是性能会差很多。

备注1：其实es可能会丢失数据的，你的数据有5秒的数据，停留在buffer、translog os cache、segment file，os cache中，有5秒的数据不在磁盘上，此时如果宕机，会导致5秒的数据丢失。

备注2：如果你希望一定不能丢失数据的话，你可以设置个参数，官方文档，百度一下。每次写入一条数据，都是写入buffer，同时写入磁盘上的translog，但是这会导致写性能、写入吞吐量会下降一个数量级。本来一秒钟可以写2000条，现在你一秒钟只能写200条，都有可能。

10）如果是删除操作，commit的时候会生成一个.del文件，里面将某个doc标识为deleted状态，那么搜索的时候根据.del文件就知道这个doc被删除了

11）如果是更新操作，就是将原来的doc标识为deleted状态，然后新写入一条数据

12）buffer每次refresh一次，就会产生一个segment file，所以默认情况下是1秒钟一个segment file，segment file会越来越多，此时会定期执行merge（合并段文件）

13）每次merge的时候，会将多个segment file合并成一个，同时这里会将标识为deleted的doc给物理删除掉，然后将新的segment file写入磁盘，这里会写一个commit point，标识所有新的segment file，然后打开segment file供搜索使用，同时删除旧的segment file。

备注1：es里的写流程，有4个底层的核心概念，refresh、flush、translog、merge

备注2：当segment file多到一定程度的时候，es就会自动触发merge操作，将多个segment file给merge成一个segment file。