大数据-184 Elasticsearch - 原理剖析 - DocValues 机制原理 压缩与禁用

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章节内容

上节我们完成了如下的内容：

• Elasticsearch 并发冲突处理机制剖析
• Elasticsearch 分布式数据一致性剖析

DocValues 机制

Doc Values 是一种以列式存储的索引机制，用于在检索时优化磁盘读取操作。与反向索引不同，反向索引是基于倒排表的结构，主要用于快速查找文档中包含某个词的情况，而 Doc Values 则是用于在不加载整个文档的情况下高效获取某个字段的值，适用于以下场景：

• 排序：当根据某个字段进行排序时，Doc Values 提供了高效的读取机制。
• 聚合：在执行类似于 terms、sum、average 等聚合操作时，Doc Values 的列存储可以快速读取并计算相关值。
• 过滤：当对文档字段进行范围过滤等操作时，Doc Values 也能加速这些查询。

为什么要有Doc Values

Elasticsearch之所以搜索这么迅速，归功于它的倒排索引设计，然后它也不是万能的，倒排索引的检索性能是非常快的，但是在字段排序时却不是理想的结构：

Term Doc_1 Doc_2
-------------------------
quick  |   | X
the    | X |
brown  | X | X
dog    | X |
dogs   |   | X
fox    | X |
foxes  |   | X
in     |   | X
jumped | X |
lazy   | X | X
leap   |   | X
over   | X | X
summer |   | X
the    | X |
------------------------

如上面的内容中可以看出，它只有词对应doc，但是并不知道每一个doc中的内容，那么如果想排序的话每一个doc都去获取一次文档内容岂不是非常耗时？DocValues的出现使得这个问题迎刃而解。
字段的 doc_values 属性有两个值，true、false，默认是true，即开启。
当 doc_values 为 false 时，无法基于该字段排序、聚合、在脚本中访问字段值。
当 doc_values 为 true 时，ES会增加一个相应的正排索引，这增加的磁盘占用，也会导致索引数据速度慢一些。

Doc Values 是列式存储的，这意味着每个字段值都以列的形式存储在磁盘中，而不是像原始文档那样存储在行中。这种方式有助于优化数据的读取，因为在执行排序或聚合时，Elasticsearch 只需访问与操作相关的字段，而不需要加载整个文档。

每个文档的字段值在索引时被预处理，并以压缩的形式存储为 Doc Values，这些值会以内存映射文件（memory-mapped file）的方式加载到内存中，以便进行快速读取。

Doc Values举例

创建一个索引：

PUT /person
{
  "mappings" : {
    "properties" : {
      "name" : {
        "type" : "keyword",
        "doc_values": true
      },
      "age" : {
        "type" : "integer",
        "doc_values": false
      }
    }
  }
}

写入相对应的数据：

POST _bulk
{ "index" : { "_index" : "person", "_id" : "1" } }
{ "name" : "明明", "age": 22 }
{ "index" : { "_index" : "person", "_id" : "2" } }
{ "name" : "丽丽", "age": 18 }
{ "index" : { "_index" : "person", "_id" : "3" } }
{ "name" : "媛媛", "age": 19 }

执行结果如下图所示：

进行全量查询，确认一下数据的情况：

POST /person/_search
{
  "query": {
    "match_all": {}
  },
  "sort" : [
    {
      "name": {
        "order": "desc"
      }
    }
  ]
}

执行结果如下图所示：

什么是Doc Values

Doc Values 通过转置倒排索引和正排索引两者间的关系来解决这个问题，倒排索引将词项映射到包含它的文档：

Doc Terms
-----------------------------------------------------------------
Doc_1 | brown, dog, fox, jumped, lazy, over, quick, the
Doc_2 | brown, dogs, foxes, in, lazy, leap, over, quick, summer
Doc_3 | dog, dogs, fox, jumped, over, quick, the
-----------------------------------------------------------------

当数据被转置后，想要收集到每个文档行，获取所有的词项就非常简单了。

深入理解ES Doc Values

DocValues是索引时与倒排索引同时生成，也就是说DocValues和倒排索引一样，基于Segment生成并且是不可变的，同时DocValues和倒排索引一样序列化到磁盘，这样对性能和扩展性有很大帮助。
DocValues通过序列化把数据结构持久化到磁盘，我们可以充分利用操作系统的内存，而不是JVM的Heap，当workingset远小于系统的可用内存，系统会自动将DocValues保存在内存中，使得读写十分高速。
不过当远大于可用内存时，操作系统会自动把DocValues写入磁盘。很显然，这样性能会比内存要差很多，但是它不会局限于服务器的内存大小。

DocValues 压缩

从广义来说，DocValues本质上是一个序列化的列式存储，这个结构非常适用于聚合、排序、脚本等操作。而且，这种存储方式非常的便于压缩，特别是数字类型，这样可以减少磁盘空间并且提高访问速度。
下面我们看一组数字类型的DocValues：

Doc Terms
-----------------------------------------------------------------
Doc_1 | 100
Doc_2 | 1000
Doc_3 | 1500
Doc_4 | 1200
Doc_5 | 300
Doc_6 | 1900
Doc_7 | 4200
-----------------------------------------------------------------

你会注意到这里每个数字都是100的倍数，DocValues会检测一个段里面的所有数值，并使用一个最大公约数，方便做进一步的数据压缩，我们可以对每个数字都除以100，然后得到：[1,10,15,12,3,19,42]。现在这些数字变小了，只需要很少的位就可以存储下，也减少了磁盘存放的大小。

DocValues在压缩过程中使用如下技巧，它会依次检测以下压缩模式：

• 如果所有的数值各不相同（或缺失），设置一个标记并记录这些值
• 如果这些值小于256，将使用一个简单的编码表
• 如果这些值大于256，检测是否存在一个最大公约数
• 如果没有存在最大公约数，从最小的数值开始，统一计算偏移量进行编码
  当然如果存储String类型，其一样可以通过顺序表对String类型进行数字编码，然后再把数字类型构建DocValues。

禁用 Doc Values

DocValues 默认对所有字段启动，除了 analyzed strings。也就是说所有的数字、地理坐标、日期、IP和不分析（not_analyzed）字符类型都会默认开启。
analyzed strings暂时还不能使用 DocValues，是因为经过分析以后得文本会生成大量的Token，这样非常影响性能。
虽然DocValues非常好用，但是如果你存储的数据确实不需要这个特性，就不如禁用它，这样不仅节省磁盘空间，也许会提升索引的速度。
要禁用DocValues，在字段的映射mapping设置doc_values：false即可。例如，这里我们创建了一个新的索引，字段 session_id禁用了DocValues：

DELETE /my_index
{
  "mappings": {
    "properties": {
      "session_id": {
        "type": "keyword",
        "doc_values": false
      }
    }
  }
}

通过设置 doc_values：false，这个字段将不能被用于聚合、排序以及脚本操作

带来的优势

• 减少内存使用：由于 Doc Values 将字段值存储在磁盘上并在需要时读取，因此相比内存中保持字段值的方式（例如 fielddata），它极大地减少了内存的使用。
• 高效的磁盘读取：Doc Values 的列式存储意味着在执行排序或聚合操作时，Elasticsearch 可以只加载所需的字段值，而不必加载整个文档。
• 提高排序和聚合的性能：对于经常需要排序或聚合的字段，Doc Values 可以显著提高性能，因为它优化了读取路径。

使用场景

• 排序：例如，用户需要根据时间戳排序查询结果，Doc Values 会提供优化的列式存储，直接从磁盘读取时间戳的值进行排序，而不需要加载整个文档。
• 聚合：在执行例如统计某个字段的平均值、最大值或分布情况时，Doc Values 可以极大地提高查询的响应速度，因为只需读取相关字段即可。
• 范围查询：例如查找价格在一定范围内的文档时，Doc Values 允许快速扫描价格字段而不涉及文档的其他内容。