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作者：Richaaaard
一、摘要
先自上而下，后自底向上的介绍ElasticSearch的底层工作原理，试图回答以下问题：
- 为什么我的搜索 foo-bar 无法匹配 foo-bar ？
- 为什么增加更多的文件会压缩索引（Index）？
- 为什么ElasticSearch占用很多内存？
二、版本
elasticsearch-2.2.0
三、图解ElasticSearch
3.1 云上的集群
3.2 集群里的盒子
云里面的每个白色正方形的盒子代表一个节点——Node。
3.3 索引（index）
在一个或者多个节点直接，多个绿色小方块组合在一起形成一个ElasticSearch的索引。
3.4 分片（Shard）
在一个索引下，分布在多个节点里的绿色小方块称为分片——Shard。
3.5 Shard＝Lucene Index
一个ElasticSearch的Shard本质上是一个Lucene Index
Lucene是一个Full Text 搜索库（也有很多其他形式的搜索库），ElasticSearch是建立在Lucene之上的。
四、图解Lucene
接下来的故事要说的大部分内容实际上是ElasticSearch如何基于Lucene工作的。
4.1 Mini索引——segment
在Lucene里面有很多小的segment，我们可以把它们看成Lucene内部的mini-index。
4.1.1 segment内部数据结构
- Inverted Index
- Stored Fields
- Document Values
- Cache
1） Inverted Index
Inverted Index主要包括两部分：
- 一个有序的数据字典Dictionary（包括单词Term和它出现的频率）。
- 与单词Term对应的Postings（即存在这个单词的文件）。
当我们搜索的时候，首先将搜索的内容分解，然后在字典里找到对应Term，从而查找到与搜索相关的文件内容。
查询文档中“the fury”，分别查找inverted Index中the 和fury这两个term，然后等候到最后的2和3这两个document。
但是，如果想要查找所有包含“our”字母的单词，那么系统会扫描整个Inverted Index，这是非常昂贵的。
在此种情况下，如果想要做优化，那么我们面对的问题是如何生成合适的Term。
对于以上诸如此类的问题，我们可能会有几种可行的解决方案：
- 如果我们想以后缀作为搜索条件，可以为Term做反向处理。
例如：*suffix -> xiffus * - 如果我们想以后缀作为搜索条件，可以为Term做反向处理
例如： (60.6384, 6.5017) -> u4u8gyykk - 对于简单的数字，可以为它生成多重形式的Term
例如：123 -> {1-hundreds, 12-tens, 123}
2）Stored Field字段查找
当我们想要查找包含某个特定标题内容的文件时，Inverted Index就不能很好的解决这个问题，所以Lucene提供了另外一种数据结构Stored Fields来解决这个问题。本质上，Stored Fields是一个简单的键值对key-value。默认情况下，ElasticSearch会存储整个文件的JSON source。
3）Document Values
即使这样，我们发现以上结构仍然无法解决诸如：排序、聚合、facet，因为我们可能会要读取大量不需要的信息。
所以，另一种数据结构解决了此种问题：Document Values。这种结构本质上就是一个列式的存储，它高度优化了具有相同类型的数据的存储结构。
4） cache
为了提高效率，ElasticSearch可以将索引下某一个Document Value全部读取到内存中进行操作，这大大提升访问速度，但是也同时会消耗掉大量的内存空间。
总之，这些数据结构Inverted Index、Stored Fields、Document Values及其缓存，都在segment内部。
五、搜索发生时
5.1 lucene的特性
搜索时，Lucene会搜索所有的segment然后将每个segment的搜索结果返回，最后合并呈现给客户。
Lucene的一些特性使得这个过程非常重要：
-
Segments是不可变的（immutable）
Delete： 当删除发生时，Lucene做的只是将其标志位置为删除，但是文件还是会在它原来的地方，不会发生改变
Update： 所以对于更新来说，本质上它做的工作是：先删除，然后重新索引（Re-index）
-
随处可见的压缩
Lucene非常擅长压缩数据，基本上所有教科书上的压缩方式，都能在Lucene中找到。
-
缓存所有的所有
Lucene也会将所有的信息做缓存，这大大提高了它的查询效率。
5.2 缓存的故事
当ElasticSearch索引一个文件的时候，会为文件建立相应的缓存，并且会定期（每秒）刷新这些数据，然后这些文件就可以被搜索到。
随着时间的增加，我们会有很多segments，
所以ElasticSearch会将这些segment合并，在这个过程中，segment会最终被删除掉
这就是为什么增加文件可能会使索引所占空间变小，它会引起merge，从而可能会有更多的压缩。
举个栗子
有两个segment将会merge
这两个segment最终会被删除，然后合并成一个新的segment
这时这个新的segment在缓存中处于cold状态，但是大多数segment仍然保持不变，处于warm状态。
以上场景经常在Lucene Index内部发生的。
5.3 在Shard中搜索
ElasticSearch从Shard中搜索的过程与Lucene Segment中搜索的过程类似。
与在Lucene Segment中搜索不同的是，Shard可能是分布在不同Node上的，所以在搜索与返回结果时，所有的信息都会通过网络传输。
需要注意的是：1次搜索查找2个shard ＝ 2次分别搜索shard
5.4 如何Scale
shard不会进行更进一步的拆分，但是shard可能会被转移到不同节点上
所以，如果当集群节点压力增长到一定的程度，我们可能会考虑增加新的节点，这就会要求我们对所有数据进行重新索引，这是我们不太希望看到的，所以我们需要在规划的时候就考虑清楚，如何去平衡足够多的节点与不足节点之间的关系。
5.5 节点分配与Shard优化
- 为更重要的数据索引节点，分配性能更好的机器
- 确保每个shard都有副本信息replica
5.6 路由Routing
每个节点，每个都存留一份路由表，所以当请求到任何一个节点时，ElasticSearch都有能力将请求转发到期望节点的shard进一步处理。
六、结语
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