ES相关面试问题整理

索引模板了解么

索引模板，一种复用机制，就像一些项目的开发框架如 Laravel 一样，省去了大量的重复，体力劳动。当新建一个 Elasticsearch 索引时，自动匹配模板，完成索引的基础部分搭建。

模板定义，看似复杂，拆分来看，主要为如下几个部分：

{ 
  "order": 0,                     // 模板优先级 
  "template": "sample_info*",     // 模板匹配的名称方式 
  "settings": {...},              // 索引设置 
  "mappings": {...},              // 索引中各字段的映射定义 
  "aliases": {...}                // 索引的别名
}

模板优先级

一个模板可能绝大部分符合新建索引的需求，但是局部需要微调，此时，如果复制旧的模板，修改该模板后，成为一个新的索引模板即可达到我们的需求，但是这操作略显重复。此时，可以采用模板叠加与覆盖来操作。模板的优先级是通过模板中的 order 字段定义的，数字越大，优先级越高。

索引模板的匹配

索引模板中的 "template" 字段定义的是该索引模板所应用的索引情况。如 "template": "tete*" 所表示的含义是，当新建索引时，所有以 tete 开头的索引都会自动匹配到该索引模板。利用该模板进行相应的设置和字段添加等。

setting 部分

索引模板中的 setting 部分一般定义的是索引的主分片、拷贝分片、刷新时间、自定义分析器等。

Elasticsearch 是如何实现 master 选举的

前提条件：

只有候选主节点（master：true）的节点才能成为主节点。

最小候选主节点数（min_master_nodes）的目的是防止脑裂。

实现步骤：

  • 第一步：确认候选主节点数达标，elasticsearch.yml 设置的值discovery.zen.minimum_master_nodes：作用是只有足够的master候选节点时，才可以选举出一个master。该参数必须设置为集群中master候选节点的quorum数量。quorum的算法=master候选节点数量/2+1(就是必须超过所有候选主节点一般以上，可以思考redis cluster、zk集群的脑裂问题，也有类似的参数设置)
  • 第二步：对所有候选主节点根据nodeId字典排序，每次选举每个节点都把自己所知道节点排一次序，然后选出第一个（第0位）节点，暂且认为它是master节点。
  • 第三步：如果对某个节点的投票数达到一定的值（候选主节点数n/2+1）并且该节点自己也选举自己，那这个节点就是master。否则重新选举一直到满足上述条件。

【补充】master 节点的职责主要包括集群、节点和索引的管理，不负责文档级别的管理；data 节点可以关闭 http 功能。

如何解决ES集群的脑裂问题

【原因】

所谓集群脑裂，是指 Elasticsearch 集群中的节点（比如共 20 个），可能因为网络问题，其中的 10 个选了一个 master，另外 10 个选了另一个 master 的情况。

【解决】

当集群 master 候选数量不小于 3 个时，可以通过设置最少投票通过数量（discovery.zen.minimum_master_nodes：最小候选主节点数）超过所有候选节点一半以上来解决脑裂问题；

对公司ES集群了解，ES集群架构，索引数据大小，分片数量

想了解应聘者之前公司接触的ES使用场景、规模，有没有做过比较大规模的索引设计、规划、调优

解答：

查看es集群状态：

curl -XGET http://localhost:9200/_cat/health?v

返回结果：
{
  "cluster": "es-9pu872sa", #集群名称
  "status": "green", #集群状态 green代表健康；yellow代表分配了所有主分片，但至少缺少一个副本，此时集群数据仍旧完整；red代表部分主分片不可用，可能已经丢失数据
  "node.data": "8", #代表在线的数据节点的数量
  "node.total": "11", #代表在线的节点总数量
  "init": "0", #initializing_shards 初始化中的分片数量 正常情况为 0
  "relo": "0", #relocating_shards 迁移中的分片数量，正常情况为 0
  "pending_tasks": "0", #准备中的任务，任务指迁移分片等 正常情况为 0
  "unassign": "0", #unassigned_shards 未分配的分片 正常情况为 0
  "pri": "3699", #active_primary_shards 存活的主分片数量 正常情况下 shards的数量是pri的两倍
  "shards": "4343", #active_shards 存活的分片数量
  "active_shards_percent": "100.0%", #正常分片百分比 正常情况为 100%
  "max_task_wait_time": "-", #任务最长等待时间
  "epoch": "1696748727",
  "timestamp": "07:05:27"
}

模块运营ES集群11个节点，6个hot节点16C64G配置，5个warm节点4C16G。集群因为有部门内其他项目也在用，跟我们业务相关主要索引在8+个以上，例如模块运营，

主要业务索引：

菜单访问记录按天 mcs_menu_user_access-yyyyMMdd，

菜单访问统计按月 mcs_menu_user_access_aggregation-yyyyMM，

菜单访问小时统计按月 mcs_menu_user_access_aggregation_hour-yyyyMM，

事件访问明细索引 mcs_menu_user_access_action-yyyyMM

数据量计算：前提：公司菜单总数在2300个左右，公司员工访问总人数在5-6w左右

  • 菜单访问记录索引mcs_menu_user_access，6个分片，没有副本。每日数据增量在600w左右，一个月30天数据量在2亿左右。单索引大概4G，一个月所有该索引大概120G
  • 菜单访问统计按天索引mcs_menu_user_access_aggregation，6个分片，没有副本。一个月也在1300w左右，单索引一个月大概15G的数据量
  • 菜单访问小时统计按月索引mcs_menu_user_access_aggregation_hour ，6个分片，没有副本。一个月40002左右的数据。一个月所有该索引大概30G
  • 事件访问明细按月索引 mcs_menu_user_access_action ，12个分片，没有副本。一个月数据量大概在5亿作业，占用磁盘大概在400G

索引增量：根据日期，有的按月有的按天递增，每月递增33+索引以上。

菜单访问相关的数据量没那么大，索引分片在6个分片，为节省磁盘和性能没有副本

事件访问明细索引数据量笔记打，索引分片在12个，一样没有副本

保存近1年的数据，1年以前的数据删除。

这一年的数据做采取了冷热分离机制，热数据存储到SSD，提高检索效率；冷数据定期进行shrink操作，以缩减存储；近6个月的数据在hot节点，前6个月的数据移到warm节点

冷热数据分离了解么

ES集群的索引写入及查询速度主要依赖于磁盘的IO速度，冷热数据分离的关键为使用SSD磁盘存储数据。若全部使用SSD，成本过高，且存放冷数据较为浪费，因而使用普通SATA磁盘与SSD磁盘混搭，可做到资源充分利用，性能大幅提升的目标。为了解决控制成本的前提下读写性能问题，Elasticsearch冷热分离架构应运而生。

冷数据索引：查询频率低，基本无写入，一般为当天或最近2天以前的数据索引

热数据索引：查询频率高，写入压力大，一般为当天数据索引

实现原理

Hot节点设置：索引节点（写节点），同时保持近期频繁使用的索引。 属于IO和CPU密集型操作，建议使用SSD的磁盘类型，保持良好的写性能；节点的数量设置一般是大于等于3个。将节点设置为hot类型：node.attr.box_type: hot

Warm节点设置： 用于不经常访问的read-only索引。由于不经常访问，一般使用普通的磁盘即可。内存、CPU的配置跟Hot节点保持一致即可；节点数量一般也是大于等于3个。将节点设置为warm类型：node.attr.box_type: warm

可以通过两种方式对数据进行冷热的那种处理

1、针对索引设置冷热属性：指定某个索引为热索引，另一个索引为冷索引。通过索引的分布来实现控制数据分布的目的。业务上根据实际情况对索引设置冷热属性，如果按照时间定期处理。

  • index.routing.allocation.include.{attribute}表示索引可以分配在包含多个值中其中一个的节点上。
  • index.routing.allocation.require.{attribute}表示索引要分配在包含索引指定值的节点上（通常一般设置一个值）。
  • index.routing.allocation.exclude.{attribute}表示索引只能分配在不包含所有指定值的节点上。

2、通过索引生命周期管理，ES (版本>=6.6) 提供了索引生命周期管理功能。索引生命周期管理可以通过 API 或者 kibana 界面配置，详情可参考 index-lifecycle-management。使用索引生命周期管理，可以实现索引数据的自动滚动跟过期，并结合冷热分离架构进行数据的降冷跟删除。 一般通过kibana界面去创建代理任务进行配置，实现索引的动态管理，索引的生命周期被分为：Hot phrase,Warm phase, Cold phase,Delete phrase四个阶段

  • Hot phrase: 该阶段可以根据索引的文档数，大小，时长决定是否调用rollover API来滚动索引
  • Warm phrase: 当一个索引在Hot phrase被roll over后便会进入Warm phrase，进入该阶段的索引会被设置为read-only, 用户可以为这个索引设置要使用的attribute， 如对于冷热分离策略，这里可以选择temperature: warm属性。另外还可以对索引进行forceMerge, shrink等操作
  • Cold phrase: 可以设置当索引rollover一段时间后进入cold阶段，这个阶段也可以设置一个属性。从冷热分离架构可以看出冷热属性是具备扩展性的，不仅可以指定hot, warm, 也可以扩展增加hot, warm, cold, freeze等多个冷热属性。如果想使用三层的冷热分离的话这里可以指定为temperature: cold, 此处还支持对索引的freeze操作
  • Delete phrase: 可以设置索引rollover一段时间后进入delete阶段，进入该阶段的索引会自动被删除。

分片不均衡原因&解决方案

可能存在的部分原因有以下几种：

  • Shard设置不合理：大多数负载不均问题是由于shard设置不合理导致，建议优先排查。
  • Segment大小不均
  • 存在典型的冷热数据需求场景。说明：例如查询中添加了routing或查询频率较高的热点数据，则必然导致数据出现负载不均。
  • 没有释放长连接，导致流量不均。说明：该问题时常暴露于采用负载均衡及多可用区架构部署时。

解决方案

  • 方案一：手动移动分片

例如移动node-1的分片0到node-4

curl -XPOST 'http://localhost:9200/_cluster/reroute' -d '{
  "commands":[{
  "move":{
    "index":"indexName",  # 索引名
    "shard": 0,           # 需要移动的分片
    "from_node":"node-1", # 从哪个节点移出来
    "to_node":"node-4"    # 需要移到哪个节点
}}]}'

优点：操作简单，恢复时间短；不必修改master node的配置，master node长期负载后高

缺点：索引大，移动时有很高的IO，索引容易损坏，需要做备份，不能解决master node既是数据节点又是负载均衡转发器的问题

【注意】分片和副本无法移动到同一个节点

  • 方案二：重建索引，从另外一个集群导入

删除原来的索引，重新建立索引，；利用elasticsearch dump等工具从另一个集群中把数据导入到新的索引中

优点：可以重新配置master node和data node，主从负载均匀

缺点：费时间，容易数据丢失，需要验证数据的一致性

  • 方案三：配置平衡参数

使用命令恢复平衡

PUT_cluster/settings
{
	"persistent": {
		"cluster.routing.rebalance.enable": "all"
	}
}

解决Elasticsearch分片未分配的问题

原因

出现这个问题的原因是原有分片未正常关闭和清理，所以当分片要重新分配回出问题节点的时候没有办法获得分片锁。

这不会造成分片数据丢失，只需要重新触发一下分配。

unassigned 分片问题可能的原因如下:

  • INDEX_CREATED: 由于创建索引的API导致未分配。
  • CLUSTER_RECOVERED: 由于完全集群恢复导致未分配。
  • INDEX_REOPENED: 由于打开open或关闭close一个索引导致未分配。
  • DANGLING_INDEX_IMPORTED: 由于导入dangling索引的结果导致未分配。
  • NEW_INDEX_RESTORED: 由于恢复到新索引导致未分配。
  • EXISTING_INDEX_RESTORED: 由于恢复到已关闭的索引导致未分配。
  • REPLICA_ADDED: 由于显式添加副本分片导致未分配。
  • ALLOCATION_FAILED: 由于分片分配失败导致未分配。
  • NODE_LEFT: 由于承载该分片的节点离开集群导致未分配。
  • REINITIALIZED: 由于当分片从开始移动到初始化时导致未分配（例如，使用影子shadow副本分片）。
  • REROUTE_CANCELLED: 作为显式取消重新路由命令的结果取消分配。
  • REALLOCATED_REPLICA: 确定更好的副本位置被标定使用，导致现有的副本分配被取消，出现未分配。

解决方案如下：

执行修复命令: POST /_cluster/reroute?retry_failed

Elasticsearch 索引文档的过程

想了解ES的底层原理，不只是关注业务本身。

这里的索引文档应该理解为文档写入ES，创建索引的过程。这里说下单文档索引的过程

  1. 客户发送请求，向ES集群某节点写入数据。如果没有指定路由/协调节点，请求的节点作为协调节点
  2. 第1个节点（协调节点）接受到请求后，使用文档_id 来确定文档属于哪个分片，计算分片的算法是：shard = hash(routing) % number_of_primary_shards，routing默认是文档_id，也可以自定义routing。确定分片之后，请求会被转到另外的节点，假定节点 3。因此分片 0 的主分片分配到节点3上面
  3. 节点 3 在主分片上执行写操作，如果成功，则将请求并行转发到节点 1和节点 2 的副本分片上，等待结果返回。所有的副本分片都报告成功，节点 3 将向协调节点（节点 1）报告成功，节点 1 向请求客户端报告写入成功。

Elasticsearch 写入数据的过程

es的写入过程还是很复杂的，整个过程中还涉及到refresh刷新、强制flush一些操作，画个图可能更好理解一些

添加doc的流程：

  1. 将数据写入buffer缓冲区域，同步会将记录写入到translog日志文件中，之后返回结果。写到buffer缓冲区中的数据是还不能被search到的，可以通过get得到数据
  2. 之后buffer缓冲区中的数据，在空间被占用或者通过refresh近实时性的刷新操作，将数据刷到segment段中之后，这个时候才能被search
  3. 之后通过fsync操作将segment中的数据写入到磁盘
  4. 还会清空buffer缓冲区，等待接收新的数据

translog 和 flush操作的作用

translog文件：为了保证数据安全而存在的机制，因为文档doc刚开始是写到内存中的，还没有入到磁盘。如果此时服务器宕机那么数据就丢失了。引入translog，文档写入buffer时是同时写入到translog文件中的，这个是落盘的。这样就能防止数据丢失，并且translog是追加的方式，因此性能比较好

flush操作：每隔30分钟或者translog日志文件达到一定大小（默认512M）的时候，就会触发一次flush操作，此时ES会执行一次flush操作先将segment刷到磁盘。原有translog文件已经落盘，会生成一份新的translog日志文件

近实时性-refresh操作

es接收数据请求时先存入buffer缓冲区中，默认每隔一秒会从buffer中将数据写入segment中，这个过程叫做refresh；

当一个文档写入Lucene后是不能被立即查询到的，Elasticsearch提供了一个refresh操作，会定时地为内存中新写入的数据生成一个新的segment，此时被处理的文档均可以被检索到。refresh操作的时间间隔由refresh_interval参数控制，默认为1s, 当然还可以在写入请求中带上refresh表示写入后立即refresh，另外还可以调用refresh API显式refresh。

产生的问题

于是这个过程中就产生了大量的segment，数量越多就会占用更多的内存，并且还会影响查询的效率，因为查询数据是要具体到分片上去的，其实就是遍历segment文件进行查询，segment越多就会影响性能

merge操作

由于refresh操作1秒钟执行一次，每次都会产生一个segment段，会产生大量的segment段。这对于查询性能来说影响很大，并且占用空间。因此ES会运行一个任务检测segment，对符合要求的segment段进行合并操作，提高查询速度。用户也可以手动调用_forcemerge API强制合并merge

常用基本调优思路有哪些

设计阶段调优

  • 根据业务增量需求，采取基于日期模板创建索引，常用的方式就是基于索引模板在索引数据的时候动态创建索引。获取也可以通过rollover API动态滚动创建索引。rollover API翻滚索引指的就是 对满足特定条件的拥有别名的索引，进行采用旧索引的配置创建新索引，并对将新索引别名下的is_write_index设为true
  • 使用别名进行索引管理；
  • 每天定时在业务量低的时间点，对索引做force_merge强制合并segment段操作，手动释放磁盘空间；force_merge强制合并是指ES索引文档会产生很多个小segment段，每一个段都会占用cpu资源、句柄、内存等，并且查询的时候要到段上面进行搜索，段越多效率越慢，所以需要进行合并段操作，对这些segment进行合并减少磁盘空间，优化查询效率
  • 采取冷热分离机制，热数据存储到SSD，提高检索效率；冷数据定期进行shrink压缩操作，以缩减存储；
  • 采取curator进行索引的生命周期管理；
  • 仅针对需要分词的字段，合理的设置分词器；
  • Mapping阶段充分结合各个字段的属性，是否需要检索、是否需要存储等

写入调优思路

  • 写入前副本数设置为 0，设置副本数 number_of_replicas = 0；
  • 写入前关闭 refresh_interval 设置为-1，禁用刷新机制；
  • 写入过程中：采取 bulk 批量写入；
  • 写入后恢复副本数和刷新间隔；
  • 尽量使用自动生成的 id。

查询调优思路

  • 禁用 wildcard（wildcard 检索可以定义为：支持通配符的模糊检索。类似于mysql的like）；
  • 禁用批量 terms（成百上千的场景）；
  • 充分利用倒排索引机制，能 keyword 类型尽量 keyword；
  • 数据量大时候，可以先基于时间敲定索引再检索；
  • 设置合理的路由机制。