Elasticsearch介绍
1、lucene和elasticsearch的前世今生
2、elasticsearch的核心概念
3、elasticsearch核心概念 vs. 数据库核心概念
4、es 的分布式架构原理以及es是如何实现分布式
5、es 写入数据的工作原理
6、es 查询数据的工作原理
7、 删除/更新数据底层原理
8、倒排索引
1、lucene和elasticsearch的前世今生
lucene，最先进、功能最强大的搜索库，直接基于lucene开发，非常复杂，api复杂（实现一些简单的功能，写大量的java代码），需要深入理解原理（各种索引结构）
elasticsearch，基于lucene，隐藏复杂性，提供简单易用的restful api接口、java api接口（还有其他语言的api接口）
（1）分布式的文档存储引擎
（2）分布式的搜索引擎和分析引擎
（3）分布式，支持PB级数据
开箱即用，优秀的默认参数，不需要任何额外设置，完全开源
关于elasticsearch的一个传说，有一个程序员失业了，陪着自己老婆去英国伦敦学习厨师课程。程序员在失业期间想给老婆写一个菜谱搜索引擎，觉得lucene实在太复杂了，就开发了一个封装了lucene的开源项目，compass。后来程序员找到了工作，是做分布式的高性能项目的，觉得compass不够，就写了elasticsearch，让lucene变成分布式的系统。
2、elasticsearch的核心概念
（1）Near Realtime（NRT）：近实时，两个意思，从写入数据到数据可以被搜索到有一个小延迟（大概1秒）；基于es执行搜索和分析可以达到秒级
（2）Cluster：集群，包含多个节点，每个节点属于哪个集群是通过一个配置（集群名称，默认是elasticsearch）来决定的，对于中小型应用来说，刚开始一个集群就一个节点很正常
（3）Node：节点，集群中的一个节点，节点也有一个名称（默认是随机分配的），节点名称很重要（在执行运维管理操作的时候），默认节点会去加入一个名称为“elasticsearch”的集群，如果直接启动一堆节点，那么它们会自动组成一个elasticsearch集群，当然一个节点也可以组成一个elasticsearch集群
（4）Document&field：文档，es中的最小数据单元，一个document可以是一条客户数据，一条商品分类数据，一条订单数据，通常用JSON数据结构表示，每个index下的type中，都可以去存储多个document。一个document里面有多个field，每个field就是一个数据字段。
product document
{
"product_id": "1",
"product_name": "高露洁牙膏",
"product_desc": "高效美白",
"category_id": "2",
"category_name": "日化用品"
}
（5）Index：索引，包含一堆有相似结构的文档数据，比如可以有一个客户索引，商品分类索引，订单索引，索引有一个名称。一个index包含很多document，一个index就代表了一类类似的或者相同的document。比如说建立一个product index，商品索引，里面可能就存放了所有的商品数据，所有的商品document。
（6）Type：类型，每个索引里都可以有一个或多个type，type是index中的一个逻辑数据分类，一个type下的document，都有相同的field，比如博客系统，有一个索引，可以定义用户数据type，博客数据type，评论数据type。
商品index，里面存放了所有的商品数据，商品document
但是商品分很多种类，每个种类的document的field可能不太一样，比如说电器商品，可能还包含一些诸如售后时间范围这样的特殊field；生鲜商品，还包含一些诸如生鲜保质期之类的特殊field
type，日化商品type，电器商品type，生鲜商品type
日化商品type：product_id，product_name，product_desc，category_id，category_name
电器商品type：product_id，product_name，product_desc，category_id，category_name，service_period
生鲜商品type：product_id，product_name，product_desc，category_id，category_name，eat_period
每一个type里面，都会包含一堆document
{
"product_id": "2",
"product_name": "长虹电视机",
"product_desc": "4k高清",
"category_id": "3",
"category_name": "电器",
"service_period": "1年"
}
{
"product_id": "3",
"product_name": "基围虾",
"product_desc": "纯天然，冰岛产",
"category_id": "4",
"category_name": "生鲜",
"eat_period": "7天"
}
（7）shard：单台机器无法存储大量数据，es可以将一个索引中的数据切分为多个shard，分布在多台服务器上存储。有了shard就可以横向扩展，存储更多数据，让搜索和分析等操作分布到多台服务器上去执行，提升吞吐量和性能。每个shard都是一个lucene index。
（8）replica：任何一个服务器随时可能故障或宕机，此时shard可能就会丢失，因此可以为每个shard创建多个replica副本。replica可以在shard故障时提供备用服务，保证数据不丢失，多个replica还可以提升搜索操作的吞吐量和性能。primary shard（建立索引时一次设置，不能修改，默认5个），replica shard（随时修改数量，默认1个），默认每个索引10个shard，5个primary shard，5个replica shard，最小的高可用配置，是2台服务器。
3、elasticsearch核心概念 vs. 数据库核心概念
Elasticsearch 数据库
Document 行
Type 表
Index 库
4、es 的分布式架构原理以及es是如何实现分布式
ElasticSearch 设计的理念就是分布式搜索引擎，底层其实还是基于 lucene 的。核心思想就是在多台机器上启动多个 es 进程实例，组成了一个 es 集群。
es 中存储数据的**基本单位是索引**，比如说你现在要在 es 中存储一些订单数据，你就应该在 es 中创建一个索引 `order_idx`，所有的订单数据就都写到这个索引里面去，一个索引差不多就是相当于是 mysql 里的一张表。
```
index -> type -> mapping -> document -> field。
```
这样吧，为了做个更直白的介绍，我在这里做个类比。但是切记，不要划等号，类比只是为了便于理解。
在订单 index 里，建两个 type，一个是实物商品订单 type，一个是虚拟商品订单 type，这两个 type 大部分字段是一样的，少部分字段是不一样的。
很多情况下，一个 index 里可能就一个 type，但是确实如果说是一个 index 里有多个 type 的情况（**注意**，`mapping types` 这个概念在 ElasticSearch 7.X 已被完全移除，详细说明可以参考[官方文档](https://github.com/elastic/elasticsearch/blob/6.5/docs/reference/mapping/removal_of_types.asciidoc)），你可以认为 index 是一个类别的表，具体的每个 type 代表了 mysql 中的一个表。每个 type 有一个 mapping，如果你认为一个 type 是具体的一个表，index 就代表多个 type 同属于的一个类型，而 mapping 就是这个 type 的**表结构定义**，你在 mysql 中创建一个表，肯定是要定义表结构的，里面有哪些字段，每个字段是什么类型。实际上你往 index 里的一个 type 里面写的一条数据，叫做一条 document，一条 document 就代表了 mysql 中某个表里的一行，每个 document 有多个 field，每个 field 就代表了这个 document 中的一个字段的值。
你搞一个索引，这个索引可以拆分成多个 `shard`，每个 shard 存储部分数据。拆分多个 shard 是有好处的，一是**支持横向扩展**，比如你数据量是 3T，3 个 shard，每个 shard 就 1T 的数据，若现在数据量增加到 4T，怎么扩展，很简单，重新建一个有 4 个 shard 的索引，将数据导进去；二是**提高性能**，数据分布在多个 shard，即多台服务器上，所有的操作，都会在多台机器上并行分布式执行，提高了吞吐量和性能。
接着就是这个 shard 的数据实际是有多个备份，就是说每个 shard 都有一个 `primary shard`，负责写入数据，但是还有几个 `replica shard`。`primary shard` 写入数据之后，会将数据同步到其他几个 `replica shard` 上去。
通过这个 replica 的方案，每个 shard 的数据都有多个备份，如果某个机器宕机了，没关系啊，还有别的数据副本在别的机器上呢。高可用了吧。
es 集群多个节点，会自动选举一个节点为 master 节点，这个 master 节点其实就是干一些管理的工作的，比如维护索引元数据、负责切换 primary shard 和 replica shard 身份等。要是 master 节点宕机了，那么会重新选举一个节点为 master 节点。
如果是非 master节点宕机了，那么会由 master 节点，让那个宕机节点上的 primary shard 的身份转移到其他机器上的 replica shard。接着你要是修复了那个宕机机器，重启了之后，master 节点会控制将缺失的 replica shard 分配过去，同步后续修改的数据之类的，让集群恢复正常。
说得更简单一点，就是说如果某个非 master 节点宕机了。那么此节点上的 primary shard 不就没了。那好，master 会让 primary shard 对应的 replica shard（在其他机器上）切换为 primary shard。如果宕机的机器修复了，修复后的节点也不再是 primary shard，而是 replica shard。
其实上述就是 ElasticSearch 作为分布式搜索引擎最基本的一个架构设计。
5、es 写入数据的工作原理
- 客户端选择一个 node 发送请求过去，这个 node 就是 `coordinating node`（协调节点）。
- `coordinating node` 对 document 进行**路由**，将请求转发给对应的 node（有 primary shard）。
- 实际的 node 上的 `primary shard` 处理请求，然后将数据同步到 `replica node`。
- `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。
先写入内存 buffer，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。
如果 buffer 快满了，或者到一定时间，就会将内存 buffer 数据 `refresh` 到一个新的 `segment file` 中，但是此时数据不是直接进入 `segment file` 磁盘文件，而是先进入 `os cache` 。这个过程就是 `refresh`。
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。
但是如果 buffer 里面此时没有数据，那当然不会执行 refresh 操作，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。
操作系统里面，磁盘文件其实都有一个东西，叫做 `os cache`，即操作系统缓存，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。只要 `buffer` 中的数据被 refresh 操作刷入 `os cache`中，这个数据就可以被搜索到了。
为什么叫 es 是**准实时**的？ `NRT`，全称 `near real-time`。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。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。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。
重复上面的步骤，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` 操作。
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。然后，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`，同时强行将 `os cache` 中目前所有的数据都 `fsync` 到磁盘文件中去。最后**清空** 现有 translog 日志文件，重启一个 translog，此时 commit 操作完成。
这个 commit 操作叫做 `flush`。默认 30 分钟自动执行一次 `flush`，但如果 translog 过大，也会触发 `flush`。flush 操作就对应着 commit 的全过程，我们可以通过 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。
translog 日志文件的作用是什么？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` 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。
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。
其实 es 第一是准实时的，数据写入 1 秒后可以搜索到；可能会丢失数据的。有 5 秒的数据，停留在 buffer、translog os cache、segment file os cache 中，而不在磁盘上，此时如果宕机，会导致 5 秒的**数据丢失**。
**总结一下**，数据先写入内存 buffer，然后每隔 1s，将数据 refresh 到 os cache，到了 os cache 数据就能被搜索到（所以我们才说 es 从写入到能被搜索到，中间有 1s 的延迟）。每隔 5s，将数据写入 translog 文件（这样如果机器宕机，内存数据全没，最多会有 5s 的数据丢失），translog 大到一定程度，或者默认每隔 30mins，会触发 commit 操作，将缓冲区的数据都 flush 到 segment file 磁盘文件中。
数据写入 segment file 之后，同时就建立好了倒排索引。
6、es 查询数据的工作原理
以通过 `doc id` 来查询，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。
- 客户端发送请求到**任意**一个 node，成为 `coordinate node`。
- `coordinate node` 对 `doc id` 进行哈希路由，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。
- 接收请求的 node 返回 document 给 `coordinate node`。
- `coordinate node` 返回 document 给客户端。
### es 搜索数据过程
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。
- 客户端发送请求到一个 `coordinate node`。
- 协调节点将搜索请求转发到**所有**的 shard 对应的 `primary shard` 或 `replica shard`，都可以。
- query phase：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。
- fetch phase：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。
> 写请求是写入 primary shard，然后同步给所有的 replica shard；读请求可以从 primary shard 或 replica shard 读取，采用的是随机轮询算法。
7、 删除/更新数据底层原理
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 是否被删除了。
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。
buffer 每 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`，这样下来 `segment file` 会越来越多，此时会定期执行 merge。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`。
8、倒排索引
### 底层 lucene
简单来说，lucene 就是一个 jar 包，里面包含了封装好的各种建立倒排索引的算法代码。我们用 Java 开发的时候，引入 lucene jar，然后基于 lucene 的 api 去开发就可以了。
通过 lucene，我们可以将已有的数据建立索引，lucene 会在本地磁盘上面，给我们组织索引的数据结构。
### 倒排索引
在搜索引擎中，每个文档都有一个对应的文档 ID，文档内容被表示为一系列关键词的集合。例如，文档 1 经过分词，提取了 20 个关键词，每个关键词都会记录它在文档中出现的次数和出现位置。
那么，倒排索引就是**关键词到文档** ID 的映射，每个关键词都对应着一系列的文件，这些文件中都出现了关键词。
举个栗子。
有以下文档：
| DocId | Doc |
|---|---|
| 1 | 谷歌地图之父跳槽 Facebook |
| 2 | 谷歌地图之父加盟 Facebook |
| 3 | 谷歌地图创始人拉斯离开谷歌加盟 Facebook |
| 4 | 谷歌地图之父跳槽 Facebook 与 Wave 项目取消有关 |
| 5 | 谷歌地图之父拉斯加盟社交网站 Facebook |
对文档进行分词之后，得到以下**倒排索引**。
| WordId | Word | DocIds |
|---|---|---|
| 1 | 谷歌 | 1,2,3,4,5 |
| 2 | 地图 | 1,2,3,4,5 |
| 3 | 之父 | 1,2,4,5 |
| 4 | 跳槽 | 1,4 |
| 5 | Facebook | 1,2,3,4,5 |
| 6 | 加盟 | 2,3,5 |
| 7 | 创始人 | 3 |
| 8 | 拉斯 | 3,5 |
| 9 | 离开 | 3 |
| 10 | 与 | 4 |
| .. | .. | .. |
另外，实用的倒排索引还可以记录更多的信息，比如文档频率信息，表示在文档集合中有多少个文档包含某个单词。
那么，有了倒排索引，搜索引擎可以很方便地响应用户的查询。比如用户输入查询 `Facebook`，搜索系统查找倒排索引，从中读出包含这个单词的文档，这些文档就是提供给用户的搜索结果。
要注意倒排索引的两个重要细节：
- 倒排索引中的所有词项对应一个或多个文档；
- 倒排索引中的词项**根据字典顺序升序排列**
> 上面只是一个简单的栗子，并没有严格按照字典顺序升序排列。
