《Elasticsearch 源码解析与优化实战》第18章：写入速度优化

简介

基于版本: 2.x – 5.x

在 Es 的默认设置，是综合考虑数据可靠性，搜索实时性，写入速度等因素的，当你离开默认设置，追求极致的写入速度时，很多是以牺牲可靠性和搜索实时性为代价的。有时候，业务上对两者要求并不高，反而对写入速度要求很高。

Translog flush

从 es 2.x 开始，默认设置下，translog的持久化策略为：每个请求都flush，这是影响 es写入速度的最大因素，但是只有这样，写操作才有可能是可靠的。

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对应配置项为：index.translog.durability: request

如果系统可以接受一定几率的数据丢失，调整translog 持久化策略为周期性和一定大小的时候 flush：

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index.translog.durability: async
index.translog.sync_interval: 120s
index.translog.flush_threshold_size: 1024mb
index.translog.flush_threshold_period: 120m

Refresh_interval

默认情况下索引的refresh_interval为1秒，这意味着数据写1秒后就可以被搜索到，每次索引的 refresh 会产生一个新的 lucene 段，这会导致频繁的 segment merge 行为，如果你不需要这么高的搜索实时性，应该降低索引refresh 周期。如：

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index.refresh_interval: 120s

Segment merge

segment merge 操作对系统 CPU 和 IO 占用都比较高，从es 2.0开始，merge 行为不再由 Es 控制，而是转由 lucene 控制，因此以下配置已被删除：

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indices.store.throttle.type
indices.store.throttle.max_bytes_per_sec
index.store.throttle.type
index.store.throttle.max_bytes_per_sec

改为以下调整开关：

index.merge.scheduler.max_thread_count
index.merge.policy.*

最大线程数的默认值为：

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Math.max(1, Math.min(4, Runtime.getRuntime().availableProcessors() / 2))

是一个比较理想的值，如果你只有一块硬盘并且非 SSD，应该把他设置为1，因为在旋转存储介质上并发写，由于寻址的原因，不会提升，只会降低写入速度。

merge 策略有三种:

tiered
log_byete_size
log_doc

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默认情况下：index.merge.polcy.type: tiered

索引创建时合并策略就已确定，不能更改，但是可以动态更新策略参数，一般情况下，不需要调整。如果堆栈经常有很多merge，可以尝试调整以下配置：

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index.merge.policy.floor_segment

该属性用于阻止segment 的频繁flush，小于此值将考虑优先合并，默认为2M，可考虑适当降低此值。

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index.merge.policy.segments_per_tier

该属性指定了每层分段的数量，取值越小最终segment 越少，因此需要 merge 的操作更多，可以考虑适当增加此值。默认为10，他应该大于等于index.merge.policy.max_merge_at_once。

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index.merge.policy.max_merged_segment

指定了单个segment 的最大容量,默认为5GB，可以考虑适当降低此值。

Indexing Buffer

indexing buffer在为 doc 建立索引时使用，当缓冲满时会刷入磁盘，生成一个新的 segment，这是除refresh_interval外另外一个刷新索引，生成新 segment 的机会。每个 shard 有自己的 indexing buffer，下面的关于这个 buffer 大小的配置需要除以这个节点上所有的 shard 数量。

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indices.memory.index_buffer_size

默认为整个堆空间的10%

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indices.memory.min_index_buffer_size

默认48mb

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indices.memory.max_index_buffer_size

默认无限制

在大量的索引操作时，indices.memory.index_buffer_size默认设置可能不够，这和可用堆内存，单节点上的 shard 数量相关，可以考虑适当增大。

Bulk 线程池和队列大小

建立索引的过程偏计算密集型任务，应该使用固定大小的线程池配置，来不及处理的放入队列，线程数量配置为 CPU 核心数 1，避免过多的上下文切换。队列大小可以适当增加。

磁盘间的任务均衡

如果你的部署方案是为path.data 配置多个路径来使用多块磁盘，es 在分配 shard 时，落到各磁盘上的 shard 可能并不均匀，这种不均匀可能会导致某些磁盘繁忙，利用率达到100%，这种不均匀达到一定程度可能会对写入性能产生负面影响。

Es 在处理多路径时，优先将 shard 分配到可用空间百分比最多的磁盘，因此短时间内创建的 shard 可能被集中分配到这个磁盘，即使可用空间是99%和98%的差别。后来 Es 在2.x 版本中开始解决这个问题的方式是：预估一下这个 shard 会使用的空间，从磁盘可用空间中减去这部分，直到现在6.x beta 版也是这种处理方式。但是实现也存在一些问题：这种机制只存在于一次索引创建的过程中，下一次的索引创建，磁盘可用空间并不是上次做完减法以后的结果，这也可以理解，毕竟预估是不准的，一直减下去很快就减没了。

但是最终的效果是，这种机制并没有从根本上解决问题，即使没有完美的解决方案，这种机制的效果也不够好。如果单一的机制不能解决所有的场景，至少应该为不同场景准备多种选择。为此，我们为 es 增加了两种策略：

简单轮询：系统初始阶段，简单轮询的效果是最均匀的
基于可用空间的动态加权轮询：以可用空间作为权重，在磁盘之间加权轮询

节点间的任务均衡

为了在节点间任务尽量均衡，数据写入客户端应该把 bulk 请求轮询发送到各个节点。

当使用 java api 或者 rest api 的 bulk 接口发送数据时，客户端将会轮询的发送到集群节点，节点列表取决于：当client.transport.sniff为 true(默认为 false)，列表为所有数据节点。否则，列表为初始化客户端对象时添加进去的节点。

java api 的 TransportClient 和 rest api 的 RestClient 都是线程安全的，当写入程序自己创建线程池控制并发，应该使用同一个 Client 对象。在此建议使用 rest api，兼容性好，只有吞吐量非常大才值得考虑序列化的开销，显然搜索并不是高吞吐量的业务。

观察bulk 请求在不同节点上的处理情况，通过cat 接口观察 bulk 线程池和队列情况，是否存在不均：

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GET _cat/thread_pool

索引过程调整和优化

自动生成 doc ID

分析 Es 写入流程可以看到，写入 doc 时如果是外部指定了 id，Es 会先尝试读取原来doc的版本号，判断是否需要更新，使用自动生成 doc id 可以避免这个环节。

调整字段 Mappings

1. 字段的 index 属性设置为：not_analyzed或者 no

对字段不分词或者不索引，可以节省很多运算，降低 CPU 占用。尤其是 binary 类型，默认情况下占用 CPU 非常高，而这种类型根本不需要进行分词做索引。

单个 doc 在建立索引时的运算复杂度，最大的因素不在于 doc 的字节数或者说某个字段 value 的长度，而是字段的数量。例如在满负载的写入压力测试中，mapping 相同的情况下，一个有10个字段，200字节的 doc，通过增加某些字段 value 的长度到500字节，写入 Es 时速度下降很少，而如果字段数增加到20，即使整个 doc 字节数没增加多少，写入速度也会降低一倍。

2. 使用不同的分析器：analyzer

不同的分析器在索引过程中运算复杂度也有较大的差异

调整_source字段

_source 字段用于存储 doc 原始数据，对于部分不需要存储的字段，可以通过 includes、excludes 来过滤，或者将_source 禁用，一般用于索引和数据分离。

这样可以降低 io 的压力，不过实际场景大多数情况不会禁用 _source，而即使过滤掉某些字段，对于写入速度的提示效果也不大，满负荷写入情况下，基本是CPU 先跑满了，瓶颈在于 CPU。

禁用 _all 字段

_all 字段默认是开启的，其中包含所有字段分词后的关键词，作用是可以在搜索的时候不指定特定字段，从所有字段中检索。如果你不需要这个特性，可以禁用 _all，可以小幅的降低CPU 压力，对速度影响并不明显。

对于 Analyzed 的字段禁用 Norms

Norms 用于在搜索时计算 doc 的评分，如果不需要评分,可以禁用他:

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"title": {"type": "string","norms": {"enabled": false}}

对于 text 类型的字段而言，默认开启了norms，而 keyword 类型的字段则默认关闭了norms

开启norms之后，每篇文档的每个字段需要一个字节存储norms。对于 text 类型的字段而言是默认开启norms的，因此对于不需要评分的 text 类型的字段，可以禁用norms，这算是一个调优点吧。

index_options 设置

index_options 用于控制在建立倒排索引过程中，哪些内容会被添加到倒排，例如 doc数量、词频、positions、offsets等信息，优化这些设置可以一定程度降低索引过程中运算任务，节省 CPU 占用率。不过实际场景中，通常很难确定业务将来会不会用到这些信息，除非一开始方案就明确这样设计的

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index_options：索引选项控制添加到倒排索引（Inverted Index）的信息，这些信息用于搜索（Search）和高亮显示：
    docs：只索引文档编号(Doc Number)
    freqs：索引文档编号和词频率（term frequency）
    positions：索引文档编号，词频率和词位置（序号）
    offsets：索引文档编号，词频率，词偏移量（开始和结束位置）和词位置（序号）
默认情况下，被分析的字符串（analyzed string）字段使用positions，其他字段使用docs。

参考配置

下面是笔者的线上环境使用的全局模板和配置文件的部分内容，省略掉了节点名称、节点列表等基础配置字段，仅列出与本文相关内容。

从ES 5.x开始，索引级设置需要写在模板中，或者在创建索引时指定，我们把各个索引通用的配置写到了模板中，这个模板匹配全部的索引，并且具有最低的优先级，让用户定义的模板有更高的优先级，以覆盖这个模板中的配置。

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{
    "template": "*",
    "order" : 0,
    "settings": {
        "index.merge.policy.max_merged_segment" : "2gb",
        "index.merge.policy.segments per_tier" : "24",
        "index.number_of_replicas" : "1",
        "index.number_of_shards" : "24",
        "index.optimize_auto_generated_id" : "true",
        "index.refresh_interval" : "120s",
        "index.translog.durability" : "async",
        "index.translog.flush_threshold_size" : "1000mb",
        "index.translog. sync_ interval" : "120s",
        "index.unassigned.node_left.delayed_timeout" : "5d"
    }
}

elasticsearch.yml中的配置：
indices.memory.index_buffer_size: 30%

思考与总结

(1) 方法比结论重要。一个系统性问题往往是多种因素造成的，在处理集群的写入性能问题上，先将问题分解，在单台上进行压测，观察哪种系统资源达到极限，例如，CPU或磁盘利用率、I/O block、线程切换、堆栈状态等。然后分析并调整参数，优化单台上的能力，先解决局部问题，在此基础上解决整体问题会容易得多。

(2) 可以使用更好的CPU，或者使用SSD，对写入性能提升明显。在我们的测试中，在相同条件下，E5 2650V4比E5 2430v2的写入速度高60%左右。

(3) 在我们的压测环境中，写入速度稳定在平均单机每秒3万条以上，使用的测试数据：每个文档的字段数量为10个左右，文档大小约100字节，CPU使用E5 2430 v2。

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