深度解析：Elasticsearch写入请求处理流程

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今天来看下 Elasticsearch 中的写入流程。

从我们发出写入请求，到 Elasticsearch 接收请求，处理请求，保存数据到磁盘，这个过程中经历了哪些处理呢？Elasticsearch 又做了哪些操作？对于 Elasticsearch 写入一篇文档相信大家不陌生，但是Elasticsearch 的底层究竟是如何处理的呢，让我们一起来一探究竟。

写入流程

1、客户端发送写请求时，发送给任意一个节点，这个节点就是所谓的协调节点（coordinating node）。（对应图中的序号1）

2、计算文档要写入的分片位置，使用 Hash 取模算法（最新版 Hash 算法）(对应图中序号2)。

routing_factor = num_routing_shards / num_primary_shards
shard_num = (hash(_routing) % num_routing_shards) / routing_factor

3、协调节点进行路由，将请求转发给对应的 primary sharding 所在的 datanode(对应图中序号2)。

4、datanode 节点上的 primary sharding 处理请求，写入数据到索引库，并且将数据同步到对应的 replica sharding(对应图中序号3)。

5、等 primary sharding 和 replica sharding 都保存好之后返回响应(对应图中序号 4,5,6)。

路由分片算法

在7.13版本之前，计算方式如下：

shard_num = hash(_routing) % num_primary_shards

从7.13 版本开始，不包括 7.13 ，计算方式就改为了上述步骤2的计算方式。

routing_factor = num_routing_shards / num_primary_shards
shard_num = (hash(_routing) % num_routing_shards) / routing_factor

• num_routing_shards 就是配置文件中 index.number_of_routing_shard 的值。

• num_primary_shard 就是配置文件中 index.number_of_shard 的值。

• _routing 默认就是文档的 ID，但是我们可以自定义该路由值。

等待激活的分片

此处以 Create index API 举例说明，其中有一个请求参数 wait_for_active_shards。
该参数的作用就是写入请求发送到ES之后，需要等待多少数量的分片处于激活状态后再继续执行后续操作。如果所需要数量的分片副本不足，则写入操作需等待并重试，直到所有的分片副本都已经启动或者发生超时。

默认情况下，写入操作仅等待主分片处于活动状态后继续执行（即 wait_for_active_shard=1）。

• （可选）的字符串值。
• 默认1。
• 可以设置为all，或者任意一个正整数，最多是索引的副本分片数+1（number_of_replicas+1)。

写入原理

先来一个官网的写入流程图（地址在文末获取）。

近实时

对于 Elasticsearch 的写入流程来说，就三部分：

1、写入到内存缓冲区。

2、写入打开新的 segment。

3、写入 disk。

为什么称为近实时，是因为在写入到内存缓冲区的时候，我们是还无法进行检索的，等到写入到segment之后，就可以进行检索到了，所以这是近实时的原因。

因为相对于写到磁盘，打开 segment 写入文件系统缓存的代价比写入磁盘的代价低的多。

第一步、写入文档到内存缓冲区（此时文档不可被检索）。

第二步、缓冲区的内容写入到 segment，但是还未提交（可被检索）。

在 Elasticsearch 中，写入和打开一个新segment的过程称为 refresh，refresh操作会自上次刷新（refresh）以来执行的所有操作都可用搜索。

refresh触发的方式有如下三种：

1、刷新间隔到了自动刷新。

2、URL增加?refresh参数，需要传空或者true。

3、调用Refresh API手动刷新

默认情况下，Elasticsearch 每秒定期刷新，但是仅限于在过去的30s内收到的一个或者多个 search请求。这个也就是近实时的一个点，文档的更改不会立即显示在下一次的检索中，需要等待 refresh 操作完成之后才可以检索出来。

我们可以通过如下方式触发refresh操作或者调整自动刷新的间隔。

POST /_refresh 
POST /blogs/_refresh

调整刷新间隔，每 30s 刷新

PUT /my_logs
{
  "settings": {
    "refresh_interval": "30s" 
  }
}

关闭自动刷新

PUT /my_logs/_settings
{ "refresh_interval": -1 } 

设置为每秒自动刷新

PUT /my_logs/_settings
{ "refresh_interval": "1s" 

段（segment）合并

由于 refresh 操作会每秒自动刷新生成一个新的段(segment)，这样的话短时间内，segment会暴增，segment数量太多，每一个都会造成文件句柄、内存、CPU的大量消耗，还有一个更重要的点就是，每个检索请求也会轮流检查每一个segment，所以segment越多，检索也就越慢。

Elasticsearch 通过在后台自动合并 segment 来解决这个问题的。小的segment被合并到大的segment，然后大的segment在被合并到更大的segment。

segment 合并的时候会自动将已删除的文档从文件系统中删除，已经删除的文档或者更新文档的旧版本不会被合并到新的 segment中。

1、当 index 的时候，refresh操作会创建新的segment，并将segment打开以供检索。

2、合并进行会选择一小部分大小相似的segment，在后台将他们合并到更大的segment中，这个操作不会中断 index 与 search 操作。

optimize API

该 optimize API 可以控制分片最大的 segment数量，对于有的索引，例如日志，每天、每周、每月的日志被单独存在一个索引上，老得索引一般都是只读的，也不太可能发生变化，所以我们就可以使用这个 optimize API 优化老的索引，将每个分片合并为一个单独的segment。这样既可以节省资源，也可以加快检索速度。

• 合并索引中的每个分片为一个单独的段

POST /logstash-2014-10/_optimize?max_num_segments=1 

持久化

上述的refresh操作是 Elasticsearch 近实时 的原因，那么数据的持久化就要看fsync操作把数据从文件系统缓冲区flush到磁盘了。所以只有当translog被fsync操作或者是提交时，translog中的数据才会持久化到磁盘。

如果没有持久化操作，当 Elasticsearch 宕机发生故障的时候，就会发生数据丢失了，所以 Elasticsearch 依赖于translog进行数据恢复。

在 Elasticsearch 进行提交操作的时候，成本是非常高的，所以策略就是在写入到内存缓冲区的时候，同步写入一份数据到translog，所有的index与delete操作都会在内部的lucene索引处理后且未确认提交之前写入teanslog。

如果发生了异常，当分片数据恢复时，已经确认提交但是并没有被上次lucene提交操作包含在内的最近操作就可以在translog中进行恢复。

Elasticsearch 的 flush操作是执行 Lucene提交并开始生成新的translog的过程，为了确保translog文件不能过大，flush操作在后台自动执行，否则在恢复的时候也会因为文件过大花费大量的时间。

对于translog有如下设置选项：

• index.translog.durability 默认设置为request ，意思就是只有当主分片和副本分片fsync且提交translog之后，才会向客户端响应index，delete，update，bulk请求成功。

• index.translog.durability 设置为async，则 Elasticsearch 会在每个index.translog.sync_interval 提交 translog，如果遇到节点恢复，则在这个区间执行的操作就可能丢失。

对于上述的几个参数，都可以动态更新

• index.translog.sync_interval

将 translog fsync到磁盘并提交的频率。默认5s，不允许小于100ms。

• index.translog.durability

是否在每次index，delete，update，bulk操作之后提交translog。

request: 默认，fsync 每次请求之后提交，如果发生故障，所有已确认的写入操作到已经提交到磁盘

async: fsync在后台每个sync_interval时间间隔提交。如果发生故障，自上次提交以来所有已确认的写入操作将被丢弃。

• index.translog.flush_threshold_size

防止 translog 文件过大的设置，一旦达到设置的该值，就会发生 flush 操作，并生成一个新的 commit point。默认512mb。

总结

1、一个文档被index之后，添加内存缓存区，同时写入 translog。

2、refresh 操作完成后，缓存被清空，但是 translog 不会

• 内存缓冲区的文档被写入到一个新的segment中，且没有进行fsync操作。
• segment 打开，可供检索。
• 内存缓冲区清空。

3、更多的文档被添加到内存缓冲区并追加到 translog。

4、每隔一段时间，translog 变得越来越大，索引被刷新（flush），一个新的 translog 被创建，并且一个提交执行。

• 所有内存缓冲区的文档都被写入到一个新的段。
• 缓冲区被清空。
• 一个提交点写入磁盘。
• 文件系统缓存通过fsync被刷新（flush）。
• 老的 translog 被删除。

translog 提供所有还没有被刷到磁盘的操作的一个持久化记录。当 Elasticsearch 启动的时候，它会从磁盘中使用的最后一个提交点（commit point）去恢复已知的 segment ，并且会重放 translog 中所有在最后一次提交后发生的变更操作。

translog 也被用来提供实时的CRUD，当我们通过ID进行查询、更新、删除一个文档、它会尝试在相应的 segment 中检索之前，首先检查 translog 中任何最近的变更操作。也就是说这个是可以实时获取到文档的最新版本。

最后送上一个我自己理解的图，参考了官网的描述，以及网上画的，如有错误欢迎指出。

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参考

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/8.12/mapping-routing-field.html

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/8.12/indices-create-index.html

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/8.12/docs-index_.html#index-wait-for-active-shards

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/current/images/data_processing_flow.png

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/8.12/near-real-time.html

https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/near-real-time.html

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/current/index-modules-merge.html

https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/translog.html

https://www.elastic.co/guide/cn/elasticsearch/guide/current/merge-process.html

https://blog.csdn.net/R_P_J/article/details/82254494?spm=a2c6h.12873639.article-detail.13.46227f70mJejca

http://www.uml.org.cn/bigdata/201801263.asp?spm=a2c6h.12873639.article-detail.10.46227f70mJejca&file=201801263.asp