详解ElasticSearch中的路由(_routing)机制

ES中的路由(routing)机制决定一个document存储到索引的哪个shard上面去,即文档到shard的路由。计算公式为:

shard_num = hash(_routing) % num_primary_shards

其中 _routing 是路由字段的值,默认使用文档的ID字段: _id 。如果我们想自己控制数据的路由规则的话,那可以修改这个默认值。修改的方式非常简单,只需要在插入数据的时候指定路由的key即可。虽然使用简单,但有许多的细节需要注意。我们从一个例子看起( 注:本文关于ES的命令都是在Kibana dev tool中执行的 ):

// 步骤1:先创建一个名为route_test的索引,该索引有3个shard,0个副本
PUT route_test/
{
  "settings": {
    "number_of_shards": 2,
    "number_of_replicas": 0
  }
}

// 步骤2:查看shard
GET _cat/shards/route_test?v
index      shard prirep state   docs store ip         node
route_test 1     p      STARTED    0  230b 172.19.0.2 es7_02
route_test 0     p      STARTED    0  230b 172.19.0.5 es7_01

// 步骤3:插入第1条数据
PUT route_test/_doc/a?refresh
{
  "data": "A"
}

// 步骤4:查看shard
GET _cat/shards/route_test?v
index      shard prirep state   docs store ip         node
route_test 1     p      STARTED    0  230b 172.19.0.2 es7_02
route_test 0     p      STARTED    1 3.3kb 172.19.0.5 es7_01

// 步骤5:插入第2条数据
PUT route_test/_doc/b?refresh
{
  "data": "B"
}

// 步骤6:查看数据
GET _cat/shards/route_test?v
index      shard prirep state   docs store ip         node
route_test 1     p      STARTED    1 3.3kb 172.19.0.2 es7_02
route_test 0     p      STARTED    1 3.3kb 172.19.0.5 es7_01

// 步骤7:查看此时索引里面的数据
GET route_test/_search
{
  "took" : 5,
  "timed_out" : false,
  "_shards" : {
    "total" : 2,
    "successful" : 2,
    "skipped" : 0,
    "failed" : 0
  },
  "hits" : {
    "total" : {
      "value" : 2,
      "relation" : "eq"
    },
    "max_score" : 1.0,
    "hits" : [
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "a",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "data" : "A"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "b",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "data" : "B"
        }
      }
    ]
  }
}

上面这个例子比较简单,先创建了一个拥有2个shard,0个副本(为了方便观察)的索引 route_test 。创建完之后查看两个shard的信息,此时shard为空,里面没有任何文档( docs 列为0)。接着我们插入了两条数据,每次插完之后,都检查shard的变化。通过对比可以发现 docid=a 的第一条数据写入了0号shard,docid=b 的第二条数据写入了1号 shard。需要注意的是这里的doc id我选用的是字母"a"和"b",而非数字。原因是连续的数字很容易路由到一个shard中去。以上的过程就是不指定routing时候的默认行为。接着,我们指定routing,看一些有趣的变化。

// 步骤8:插入第3条数据
PUT route_test/_doc/c?routing=key1&refresh
{
  "data": "C"
}

// 步骤9:查看shard
GET _cat/shards/route_test?v
index      shard prirep state   docs store ip         node
route_test 1     p      STARTED    1 3.4kb 172.19.0.2 es7_02
route_test 0     p      STARTED    2 6.9kb 172.19.0.5 es7_01

// 步骤10:查看索引数据
GET route_test/_search
{
  "took" : 5,
  "timed_out" : false,
  "_shards" : {
    "total" : 2,
    "successful" : 2,
    "skipped" : 0,
    "failed" : 0
  },
  "hits" : {
    "total" : {
      "value" : 3,
      "relation" : "eq"
    },
    "max_score" : 1.0,
    "hits" : [
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "a",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "data" : "A"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "c",
        "_score" : 1.0,
        "_routing" : "key1",
        "_source" : {
          "data" : "C"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "b",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "data" : "B"
        }
      }
    ]
  }
}

我们又插入了1条 docid=c 的新数据,但这次我们指定了路由,路由的值是一个字符串"key1". 通过查看shard信息,能看出这条数据路由到了0号shard。也就是说用"key1"做路由时,文档会写入到0号shard。接着我们使用该路由再插入两条数据,但这两条数据的 docid 分别为之前使用过的 "a"和"b",你猜一下最终结果会是什么样?

// 步骤11:插入 docid=a 的数据,并指定 routing=key1
PUT route_test/_doc/a?routing=key1&refresh
{
  "data": "A with routing key1"
}

// es的返回信息为:
{
  "_index" : "route_test",
  "_type" : "_doc",
  "_id" : "a",
  "_version" : 2,
  "result" : "updated",        // 注意此处为updated,之前的三次插入返回都为created
  "forced_refresh" : true,
  "_shards" : {
    "total" : 1,
    "successful" : 1,
    "failed" : 0
  },
  "_seq_no" : 2,
  "_primary_term" : 1
}

// 步骤12:查看shard
GET _cat/shards/route_test?v
index      shard prirep state   docs  store ip         node
route_test 1     p      STARTED    1  3.4kb 172.19.0.2 es7_02
route_test 0     p      STARTED    2 10.5kb 172.19.0.5 es7_01

// 步骤13:查询索引
GET route_test/_search
{
  "took" : 6,
  "timed_out" : false,
  "_shards" : {
    "total" : 2,
    "successful" : 2,
    "skipped" : 0,
    "failed" : 0
  },
  "hits" : {
    "total" : {
      "value" : 3,
      "relation" : "eq"
    },
    "max_score" : 1.0,
    "hits" : [
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "c",
        "_score" : 1.0,
        "_routing" : "key1",
        "_source" : {
          "data" : "C"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "a",
        "_score" : 1.0,
        "_routing" : "key1",
        "_source" : {
          "data" : "A with routing key1"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "b",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "data" : "B"
        }
      }
    ]
  }
}

之前 docid=a 的数据就在0号shard中,这次依旧写入到0号shard中了,因为docid重复,所以文档被更新了。然后再插入 docid=b 的数据:

// 步骤14:插入 docid=b的数据,使用key1作为路由字段的值
PUT route_test/_doc/b?routing=key1&refresh
{
  "data": "B with routing key1"
}

// es返回的信息
{
  "_index" : "route_test",
  "_type" : "_doc",
  "_id" : "b",
  "_version" : 1,
  "result" : "created",        // 注意这里不是updated
  "forced_refresh" : true,
  "_shards" : {
    "total" : 1,
    "successful" : 1,
    "failed" : 0
  },
  "_seq_no" : 3,
  "_primary_term" : 1
}

// 步骤15:查看shard信息
GET _cat/shards/route_test?v
index      shard prirep state   docs store ip         node
route_test 1     p      STARTED    1 3.4kb 172.19.0.2 es7_02
route_test 0     p      STARTED    3  11kb 172.19.0.5 es7_01

// 步骤16:查询索引内容
{
  "took" : 6,
  "timed_out" : false,
  "_shards" : {
    "total" : 2,
    "successful" : 2,
    "skipped" : 0,
    "failed" : 0
  },
  "hits" : {
    "total" : {
      "value" : 4,
      "relation" : "eq"
    },
    "max_score" : 1.0,
    "hits" : [
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "c",
        "_score" : 1.0,
        "_routing" : "key1",
        "_source" : {
          "data" : "C"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "a",
        "_score" : 1.0,
        "_routing" : "key1",
        "_source" : {
          "data" : "A with routing key1"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "b",
        "_score" : 1.0,
        "_routing" : "key1",        // 和下面的 id=b 的doc相比,多了一个这个字段
        "_source" : {
          "data" : "B with routing key1"
        }
      },
      {
        "_index" : "route_test",
        "_type" : "_doc",
        "_id" : "b",
        "_score" : 1.0,
        "_source" : {
          "data" : "B"
        }
      }
    ]
  }
}

和步骤11插入docid=a 的那条数据相比,这次这个有些不同,我们来分析一下。步骤11中插入 docid=a 时,es返回的是updated,也就是更新了步骤2中插入的docid为a的数据,步骤12和13中查询的结果也能看出,并没有新增数据,route_test中还是只有3条数据。而步骤14插入 docid=b 的数据时,es返回的是created,也就是新增了一条数据,而不是updated原来docid为b的数据,步骤15和16的确也能看出多了一条数据,现在有4条数据。而且从步骤16查询的结果来看,有两条docid为b的数据,但一个有routing,一个没有。而且也能分析出有routing的在0号shard上面,没有的那个在1号shard上。

这个就是我们自定义routing后会导致的一个问题: docid不再全局唯一 。ES shard的实质是Lucene的索引,所以其实每个shard都是一个功能完善的倒排索引。ES能保证docid全局唯一是采用do id作为了路由,所以同样的docid肯定会路由到同一个shard上面,如果出现docid重复,就会update或者抛异常,从而保证了集群内docid唯一标识一个doc。但如果我们换用其它值做routing,那这个就保证不了了,如果用户还需要docid的全局唯一性,那只能自己保证了。因为docid不再全局唯一,所以doc的增删改查API就可能产生问题,比如下面的查询:

GET route_test/_doc/b

// es返回
{
  "_index" : "route_test",
  "_type" : "_doc",
  "_id" : "b",
  "_version" : 1,
  "_seq_no" : 0,
  "_primary_term" : 1,
  "found" : true,
  "_source" : {
    "data" : "B"
  }
}


GET route_test/_doc/b?routing=key1

// es返回
{
  "_index" : "route_test",
  "_type" : "_doc",
  "_id" : "b",
  "_version" : 1,
  "_seq_no" : 3,
  "_primary_term" : 1,
  "_routing" : "key1",
  "found" : true,
  "_source" : {
    "data" : "B with routing key1"
  }
}

上面两个查询,虽然指定的docid都是b,但返回的结果是不一样的。所以, 如果自定义了routing字段的话,一般doc的增删改查接口都要加上routing参数以保证一致性。 为此,ES在mapping中提供了一个选项,可以强制检查doc的增删改查接口是否加了routing参数,如果没有加,就会报错。设置方式如下:

PUT <索引名>/
{
  "settings": {
    "number_of_shards": 2,
    "number_of_replicas": 0
  },
  "mappings": {
    "_routing": {
      "required": true        // 设置为true,则强制检查;false则不检查,默认为false
    }
  }
}

举个例子:

PUT route_test1/
{
  "settings": {
    "number_of_shards": 3,
    "number_of_replicas": 0
  },
  "mappings": {
    "_routing": {
      "required": true
    }
  }
}

// 写入一条数据
PUT route_test1/_doc/b?routing=key1
{
  "data": "b with routing"
}

// 以下的增删改查都会抱错
GET route_test1/_doc/b
PUT route_test1/_doc/b
{
  "data": "B"
}
DELETE route_test1/_doc/b

// 错误信息
  "error": {
    "root_cause": [
      {
        "type": "routing_missing_exception",
        "reason": "routing is required for [route_test1]/[_doc]/[b]",
        "index_uuid": "_na_",
        "index": "route_test1"
      }
    ],
    "type": "routing_missing_exception",
    "reason": "routing is required for [route_test1]/[_doc]/[b]",
    "index_uuid": "_na_",
    "index": "route_test1"
  },
  "status": 400
}

当然,很多时候自定义路由是为了减少查询时扫描shard的个数,从而提高查询效率。默认查询接口会搜索所有的shard,但也可以指定routing字段,这样就只会查询routing计算出来的shard,提高查询速度。使用方式也非常简单,只需在查询语句上面指定routing即可,允许指定多个:

GET route_test/_search?routing=key1,key2 
{
  "query": {
    "match": {
      "data": "b"
    }
  }
}

另外,指定routing还有个弊端就是容易造成负载不均衡。所以ES提供了一种机制可以将数据路由到一组shard上面,而不是某一个。只需在创建索引时(也只能在创建时)设置 index.routing_partition_size ,默认值是1,即只路由到1个shard,可以将其设置为大于1且小于索引shard总数的某个值,就可以路由到一组shard了。值越大,数据越均匀。当然,从设置就能看出来,这个设置是针对单个索引的,可以加入到动态模板中,以对多个索引生效。指定后,shard的计算方式变为:

shard_num = (hash(_routing) + hash(_id) % routing_partition_size) % num_primary_shards

对于同一个routing值, hash(_routing) 的结果固定的, hash(_id) % routing_partition_size 的结果有 routing_partition_size 个可能的值,两个组合在一起,对于同一个routing值的不同doc,也就能计算出 routing_partition_size 可能的shard num了,即一个shard集合。但要注意这样做以后有两个限制:

  1. 索引的mapping中不能再定义join关系的字段,原因是join强制要求关联的doc必须路由到同一个shard,如果采用shard集合,这个是保证不了的。
  2. 索引mapping中 _routingrequired 必须设置为true。

但是对于第2点我测试了一下,如果不写mapping,是可以的,此时 _routingrequired 默认值其实是false的。但如果显式的写了,就必须设置为true,否则创建索引会报错。

// 不显式的设置mapping,可以成功创建索引
PUT route_test_3/
{
  "settings": {
    "number_of_shards": 2,
    "number_of_replicas": 0,
    "routing_partition_size": 2
  }
}
// 查询也可以不用带routing,也可以正确执行,增删改也一样
GET route_test_3/_doc/a

// 如果显式的设置了mappings域,且required设置为false,创建索引就会失败,必须改为true
PUT route_test_4/
{
  "settings": {
    "number_of_shards": 2,
    "number_of_replicas": 0,
    "routing_partition_size": 2
  },
  "mappings": {
    "_routing": {
      "required": false
    }
  }
}

不知道这算不算一个bug。ElasticSearch的routing算是一个高级用法,但的确非常有用。举个例子,比如互联网中的用户数据,我们可以用userid作为routing,这样就能保证同一个用户的数据全部保存到同一个shard去,后面检索的时候,同样使用userid作为routing,就可以精准的从某个shard获取数据了。对于超大数据量的搜索,routing再配合hot&warm的架构,是非常有用的一种解决方案。而且同一种属性的数据写到同一个shard还有很多好处,比如可以提高aggregation的准确性,以后的文章再介绍。

最后,祝祖国母亲70周内快乐!

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