?這篇文章，我們來聊一下最近這一兩年行業(yè)內(nèi)Java高級(jí)工程師面試的時(shí)候尤為常見的一個(gè)問題：談?wù)勀銓Ψ植际剿阉饕娴睦斫?，聊聊他的架?gòu)原理？

很多同學(xué)可能從來沒接觸過這個(gè)東西，所以本文我們就以現(xiàn)在最火最流行的El?asticsearch為例，來聊一下分布式搜索引擎的核心架構(gòu)原理。

一、倒排索引到底是啥？

要了解分布式搜索引擎，先了解一下搜索這個(gè)事兒吧，搜索這個(gè)技術(shù)領(lǐng)域里最入門級(jí)別的一個(gè)概念就是倒排索引。

我們先簡單說一下倒排索引是個(gè)什么東西。

假如說你現(xiàn)在不用搜索引擎，單純使用數(shù)據(jù)庫來存放和搜索一些數(shù)據(jù)，比如說放了一些論壇的帖子數(shù)據(jù)吧，那么這個(gè)數(shù)據(jù)的格式大致如下：

很簡單吧，假設(shè)有一個(gè)id字段標(biāo)識(shí)了每個(gè)帖子數(shù)據(jù)，然后title字段是帖子的標(biāo)題，content字段是帖子的內(nèi)容。

那么這個(gè)時(shí)候，比如我們要是用數(shù)據(jù)庫來進(jìn)行搜索包含“Java”這個(gè)關(guān)鍵字的所有帖子，大致SQL如下：

咱們姑且不論這個(gè)數(shù)據(jù)庫層面也有支持全文檢索的一些特殊索引類型，或者數(shù)據(jù)庫層面是怎么執(zhí)行的，這個(gè)不是本文討論的重點(diǎn)，你就看看數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)格式以及搜索的方式就好了。

但是如果你通過搜索引擎類的技術(shù)來存放帖子的內(nèi)容，他是可以建立倒排索引的。

也就是說，你把上述的幾行數(shù)據(jù)放到搜索引擎里，這個(gè)倒排索引的數(shù)據(jù)大致看起來如下：

關(guān)鍵詞 id

• Java [1, 2, 3]
• 語言 [1]
• 面試 [3]
• 資源 [2]

所謂的倒排索引，就是把你的數(shù)據(jù)內(nèi)容先分詞，每句話分成一個(gè)一個(gè)的關(guān)鍵詞，然后記錄好每個(gè)關(guān)鍵詞對應(yīng)出現(xiàn)在了哪些id標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)里。

那么你要搜索包含“Java”關(guān)鍵詞的帖子，直接掃描這個(gè)倒排索引，在倒排索引里找到“Java”這個(gè)關(guān)鍵詞對應(yīng)的那些數(shù)據(jù)的id就好了。

然后你可以從其他地方根據(jù)這幾個(gè)id找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)就可以了，這個(gè)就是倒排索引的數(shù)據(jù)格式以及搜索的方式，上面這種利用倒排索引查找數(shù)據(jù)的方式，也被稱之為全文檢索。

二、什么叫做分布式搜索引擎？

其實(shí)要知道什么叫做分布式搜索引擎，你首先得知道，假如我們就用一臺(tái)機(jī)器部署一個(gè)搜索引擎系統(tǒng)，然后利用上述的那種倒排索引來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)支持一些全文檢索之類的搜索功能，那么會(huì)有什么問題？

其實(shí)還是很簡單，假如說你現(xiàn)在要存儲(chǔ)1TB的數(shù)據(jù)，那么放在一臺(tái)機(jī)器還是可以的。

但是如果你要存儲(chǔ)超過10TB，100TB，甚至1000TB的數(shù)據(jù)呢？你用一臺(tái)機(jī)器放的下嗎？

當(dāng)然是放不下的了，你的機(jī)器磁盤空間是不夠的。

大家看一下下面的圖：

所以這個(gè)時(shí)候，你就得用分布式搜索引擎了，也就是要使用多臺(tái)機(jī)器來部署搜索引擎集群。

比如說，假設(shè)你用的是Elasticsearch（后面簡寫為：ES）。

現(xiàn)在你總共有3TB的數(shù)據(jù)，那么你搞3臺(tái)機(jī)器，每臺(tái)機(jī)器上部署一個(gè)ES進(jìn)程，管理那臺(tái)機(jī)器上的1TB數(shù)據(jù)就可以了。

這樣不就可以把3TB的數(shù)據(jù)分散在3臺(tái)機(jī)器上來存儲(chǔ)了？這不就是索引數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)嗎？

而且，你在搜索數(shù)據(jù)的時(shí)候，不就可以利用3臺(tái)機(jī)器來對分布式存儲(chǔ)后的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索了？每臺(tái)機(jī)器上的ES進(jìn)程不都可以對一部分?jǐn)?shù)據(jù)搜索？這不就是分布式的搜索？

是的，這就是所謂的分布式搜索引擎：把大量的索引數(shù)據(jù)拆散成多塊，每臺(tái)機(jī)器放一部分，然后利用多臺(tái)機(jī)器對分散之后的數(shù)據(jù)進(jìn)行搜索，所有操作全部是分布在多臺(tái)機(jī)器上進(jìn)行，形成了完整的分布式的架構(gòu)。

同樣，我們來看下面的圖，直觀的感受一下。

三、Elasticsearch的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

如果你要是使用Elasticsearch這種分布式搜索引擎，必須要熟悉他的一些專業(yè)的技術(shù)名詞，描述他的一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

比如說“index”這個(gè)東西，他是索引的意思，其實(shí)他有點(diǎn)類似于數(shù)據(jù)庫里的一張表，大概對應(yīng)表的那個(gè)概念。

比如你搞一個(gè)專門存放帖子的索引，然后他有id、title、content幾個(gè)field，這個(gè)field大致就是他的一個(gè)字段。

然后還有一個(gè)概念，就是document，這個(gè)就代表了index中的一條數(shù)據(jù)。

下面就是一個(gè)document，這個(gè)document可以寫到index里去，算是index里的一條數(shù)據(jù)。

而且寫到es之后，這條數(shù)據(jù)的內(nèi)容就會(huì)拆分為倒排索引的數(shù)據(jù)格式來存儲(chǔ)。

四、Shard數(shù)據(jù)分片機(jī)制

那么這個(gè)時(shí)候大家考慮一下，比如說你有一個(gè)index，專門存放論壇里的帖子，現(xiàn)在論壇里的帖子有1億，占用了1TB的磁盤空間，這個(gè)還好說。

如果這個(gè)帖子有10億，100億，占用了10TB、甚至100TB的磁盤空間呢？

那你這個(gè)index的數(shù)據(jù)還能在一臺(tái)機(jī)器上存儲(chǔ)嗎？答案明顯是不能的。

?這個(gè)時(shí)候，你必須得支持這個(gè)index的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)在多臺(tái)機(jī)器上，利用多臺(tái)機(jī)器的磁盤空間來承載這么大的數(shù)據(jù)量。

而且，需要保證每臺(tái)機(jī)器上對這個(gè)index存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量不要太大，因?yàn)榭刂茊闻_(tái)機(jī)器上這個(gè)index的數(shù)據(jù)量，可以保證他的搜索性能更高。

所以這里就引入了一個(gè)概念：Shard數(shù)據(jù)分片結(jié)構(gòu)。每個(gè)index你都可以指定創(chuàng)建多少個(gè)shard，每個(gè)shard就是一個(gè)數(shù)據(jù)分片，會(huì)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)這個(gè)index的一部分?jǐn)?shù)據(jù)。

比如說index里有3億帖子，占據(jù)3TB數(shù)據(jù)。然后這個(gè)index你設(shè)置了3個(gè)shard。

那么每個(gè)shard就可以包含一個(gè)1TB大小的數(shù)據(jù)分?片，每個(gè)shard在集群里的一臺(tái)機(jī)器上，這樣就形成了利用3臺(tái)機(jī)器來分布式存儲(chǔ)一個(gè)index的數(shù)據(jù)的效果了。

大家看下面的圖：

現(xiàn)在index里的3TB數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)在了3臺(tái)機(jī)器上，每臺(tái)機(jī)器上有一個(gè)shard，每個(gè)shard負(fù)責(zé)管理這個(gè)index的其中1TB數(shù)據(jù)的分片。

而且，另外一個(gè)好處是，假設(shè)我們要對這個(gè)index的3TB數(shù)據(jù)運(yùn)行一個(gè)搜索，是不是可以發(fā)送請求到3臺(tái)機(jī)器上去？

3臺(tái)機(jī)器上的shard直接可以分布式的并行對一部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行搜索，起到一個(gè)分布式搜索的效果，大幅度提升海量數(shù)據(jù)的搜索性能和吞吐量。

五、Replica多副本數(shù)據(jù)冗余機(jī)制

但是現(xiàn)在有一個(gè)問題，假如說3臺(tái)機(jī)器中的其中一臺(tái)宕機(jī)了，此時(shí)怎么辦呢？

是不是這個(gè)index的3TB數(shù)據(jù)的1/3就丟失了？因?yàn)樯厦嬗?TB的數(shù)據(jù)分片沒了。

所以說，還需要為了實(shí)現(xiàn)高可用使用Replica多副本數(shù)據(jù)冗余機(jī)制。

在Elasticsearch里，就是支持對每個(gè)index設(shè)置一個(gè)replica數(shù)量的，也就是每個(gè)shard對應(yīng)的replica副本的數(shù)量。

比如說你現(xiàn)在一個(gè)index有3個(gè)shard，你設(shè)置對每個(gè)shard做1個(gè)replica副本，那么此時(shí)每個(gè)shard都會(huì)有一個(gè)replica shard。

這個(gè)初始的shard就是primary shard，而且primary shard和replica shard是絕對不會(huì)放在一臺(tái)機(jī)器上的，避免一臺(tái)機(jī)器宕機(jī)直接一個(gè)shard的副本也同時(shí)丟失了。

我們再來看下面的圖，感受一下：

在上述的replica機(jī)制下，每個(gè)primary shard都有一個(gè)replica shard在別的機(jī)器上，任何一臺(tái)機(jī)器宕機(jī)，都可以保證數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，分布式搜索引擎繼續(xù)可用。

Elasticsearch默認(rèn)是支持每個(gè)index是5個(gè)primary shard，每個(gè)primary shard有1個(gè)replica shard作為副本。

六、文末總結(jié)

好了，本文到這兒就結(jié)束了，再來給大伙簡單小結(jié)。

我們從搜索引擎的倒排索引開始，到單機(jī)無法承載海量數(shù)據(jù)，再到分布式搜索引擎的存儲(chǔ)和搜索。

然后我們以優(yōu)秀的分布式搜索引擎ES為例，闡述了ES的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，shard數(shù)據(jù)分片機(jī)制，replica多副本機(jī)制，解釋了一下分布式搜索引擎的架構(gòu)原理。

最后還是強(qiáng)調(diào)一下，在Java面試尤其是高級(jí)Java面試中，對于分布式搜索引擎技術(shù)的考察越來越重，所以這塊技術(shù)的重要性，還是不容小覷的！