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本专栏系列基于 elasticsearch-7.8.0 版本分析
陆续打算推出的博文列表如下:1、创建索引底层源码分析
2、更新索引底层源码分析
3、删除索引底层源码分析
4、elasticsearch中的线程池实现
5、elasticsearch启动过程源码流程分析
6、high level rest client请求流程分析
7、elastic search数据副本模型、读写模型
8、lucene学习总结系列
- 全文检索的基本原理
- lucene的总体结构
- lucene的索引文件格式
- lucene的打分机制
- lucene的搜索过程解析
本文记录ElasticSearch-7.8.0创建索引源码执行流程,从源码角度看一下创建索引的底层实现和涉及到的服务,比如AllocationService、MasterService、IndexService等,以及这些服务的相关操作,若有不合理的地方,希望各位看官能够不吝赐教。
- curl -X PUT "localhost:9200/cool3" -d '{
- "settings": {
- "number_of_shards": 3,
- "number_of_replicas": 2
- }
- }'
总体流程图
总述:客户端提交创建索引的基本信息(索引名称、分区数、副本数等),提交到服务端,服务端将CreateIndexRequest封装成CreateIndexClusterStateUpdateRequest。根据actionName获得具体响应的action,具体入口是
org.elasticsearch.action.admin.indices.create.TransportCreateIndexAction
拿到响应action后调用实例属性MetadataCreateIndexService#createIndex()进入到onlyCreateIndex(),该实例属性的作用是:负责提交创建索引请求的服务;所以创建索引大致可以分为以下几个主要流程:
创建索引会改变 当前集群状态——ClusterState,集群状态只能在主节点上更新,所以onlyCreateIndex方法进来后,就会由ClusterService调起MasterService,并在master节点上发起:提交一批集群状态更新任务——MasterService#submitStateUpdateTasks;经过一系列调用,在master节点运行创建索引任务MasterService#runTasks,再进入到具体的创建索引逻辑,具体调用栈如下
1、MetadataCreateIndexService#onlyCreateIndex
clusterService.submitStateUpdateTask({...}) // 发起提交集群状态更新任务
2、ClusterService#submitStateUpdateTask
submitStateUpdateTask(source, updateTask, ...);
3、ClusterService#submitStateUpdateTask
submitStateUpdateTasks(source, ...);
4、ClusterService#submitStateUpdateTask
masterService.submitStateUpdateTasks(source, tasks, config, executor);
5、MasterService#submitStateUpdateTasks
taskBatcher.submitTasks(safeTasks, config.timeout());
6、TaskBatcher#submitTasks
threadExecutor.execute(firstTask, timeout, () -> onTimeoutInternal(tasks, timeout));
7、PrioritizedEsThreadPoolExecutor#execute
execute(command); // 提交创建索引任务
8、EsThreadPoolExecutor#execute
super.execute(command);
9、java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#execute
java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor.Worker#run
runWorker(Worker w)
10、java.util.concurrent.ThreadPoolExecutor#runWorker
task.run();
10、TaskBatcher.BatchedTask#run
// 创建索引、更新集群的状态信息是在Runnable#run()中,也就是TaskBatcher.BatchedTask#run方法中,这个方法继承了java类的Runnable接口
runIfNotProcessed(this);
11、TaskBatcher#runIfNotProcessed
run(updateTask.batchingKey, toExecute, tasksSummary); // 最终回到run方法
// MasterService.Batcher#run实现了上面TaskBatcher#run
12、MasterService.Batcher#run
runTasks(new TaskInputs(taskExecutor, updateTasks, tasksSummary));
13、MasterService#runTasks
final TaskOutputs taskOutputs = calculateTaskOutputs(taskInputs, previousClusterState);
14、MasterService#calculateTaskOutputs // 输入创建索引任务,输出集群状态变化结果
ClusterTasksResult<Object> clusterTasksResult = executeTasks(taskInputs, previousClusterState);
15、MasterService#executeTasks
clusterTasksResult = taskInputs.executor.execute(previousClusterState, inputs);
16、ClusterStateTaskExecutor#execute
ClusterState result = execute(currentState); // 抽象类ClusterStateUpdateTask实现了ClusterStateTaskExecutor接口
17、ClusterStateUpdateTask#execute // 该方法:根据当前状态更新群集状态。如果不应更改任何状态,则返回*相同实例*。
18、clusterService.submitStateUpdateTask({
new AckedClusterStateUpdateTask<ClusterStateUpdateResponse>(...) {
@Override
public ClusterState execute(ClusterState currentState) throws Exception {
return applyCreateIndexRequest(currentState, request, false);
}
}
})
// AckedClusterStateUpdateTask继承ClusterStateUpdateTask类且实现AckedClusterStateTaskListener接口
// 回到步骤1、形成闭环;进入创建索引具体流程:applyCreateIndexRequest,详见调用栈-2
......
调用栈-1
调用栈-1——类继承关系
创建索引需要通过IndexModule初始化一个IndexService,IndexService主要包含创建、删除、关闭分片等操作,即维护一个索引的基本操作。下面是调用栈
1、MetadataCreateIndexService#onlyCreateIndex
return applyCreateIndexRequest(currentState, request, false); // 进入创建索引逻辑
2、MetadataCreateIndexService#applyCreateIndexRequest
return applyCreateIndexRequest(currentState, request, silent, null);
3、MetadataCreateIndexService#applyCreateIndexRequest
validate(request, currentState); // 索引相关检验
return applyCreateIndexRequestWithV1Templates(currentState, request, silent, v1Templates, metadataTransformer);
4、MetadataCreateIndexService#applyCreateIndexRequestWithV1Templates
return applyCreateIndexWithTemporaryService(...)
5、MetadataCreateIndexService#applyCreateIndexWithTemporaryService
return indicesService.<ClusterState, Exception>withTempIndexService(...)
6、IndicesService#withTempIndexService //
final IndexService indexService = createIndexService(...) // 创建IndexService入口
7、IndicesService#createIndexService
final IndexModule indexModule = new IndexModule(...) // 创建IndexModule
... // 为创建索引添加各种监听器
return indexModule.newIndexService(...) // 新建IndexService
8、IndexModule#newIndexService
final IndexService indexService = new IndexService(...)
9、IndicesService#withTempIndexService // 回到步骤6、创建IndexService入口,形成闭环
return indexServiceConsumer.apply(indexService);
10、MetadataCreateIndexService#applyCreateIndexWithTemporaryService
return clusterStateCreateIndex(currentState, request.blocks(), indexMetadata, allocationService::reroute, metadataTransformer); // 步骤6,进入具体创建索引操作
11、AllocationService#reroute
reroute(allocation); --> shardsAllocator.allocate(allocation);
12、BalancedShardsAllocator#allocate
balancer.allocateUnassigned(); // 分配未分配的分片
balancer.moveShards(); // 重新定位无法再留在节点上的分片
balancer.balance(); // 重新分配分片,以便分片在集群中平衡
13、回到调用栈-1的步骤13、,形成闭环
调用栈-2
将索引创建到集群状态中即生成新的cluster state,下面是创建成功后的日志
[es-source-node] [cool3] creating index, cause [api], templates [], shards [3]/[2], mappings []
下面是创建索引的具体实现
- static ClusterState clusterStateCreateIndex(ClusterState currentState, Set<ClusterBlock> clusterBlocks, IndexMetadata indexMetadata,
- BiFunction<ClusterState, String, ClusterState> rerouteRoutingTable,
- BiConsumer<Metadata.Builder, IndexMetadata> metadataTransformer) {
- Metadata.Builder builder = Metadata.builder(currentState.metadata())
- .put(indexMetadata, false);
- if (metadataTransformer != null) {
- metadataTransformer.accept(builder, indexMetadata);
- }
- Metadata newMetadata = builder.build();
-
- String indexName = indexMetadata.getIndex().getName();
- ClusterBlocks.Builder blocks = createClusterBlocksBuilder(currentState, indexName, clusterBlocks);
- blocks.updateBlocks(indexMetadata);
-
- ClusterState updatedState = ClusterState.builder(currentState).blocks(blocks).metadata(newMetadata).build();
-
- RoutingTable.Builder routingTableBuilder = RoutingTable.builder(updatedState.routingTable())
- .addAsNew(updatedState.metadata().index(indexName));
- updatedState = ClusterState.builder(updatedState).routingTable(routingTableBuilder.build()).build();
- // 如果index状态open,执行allocationService.reroute 将分片分配到其他节点
- return rerouteRoutingTable.apply(updatedState, "index [" + indexName + "] created");
- }
这里详细说下cluster state:cluster state是全局性信息,包含了整个群集中所有分片的元信息(规则, 位置, 大小等信息),并保持每个每节的信息同步;下面的说明4、中,需要关注如何实现发布整体还是发布差异到具体的节点上,后续再分析
1、表示集群的当前状态。
2、除了{@link RoutingNodes}结构之外,cluster state对象是不可变的,该结构是根据{@link RoutingTable}的需求构建的。
3、集群状态只能在主节点上更新。所有更新都在单个线程上执行,并由{@link ClusterService}控制。在每次更新之后,{@link Discovery#publish}方法将集群状态的新版本发布给集群中的所有其他节点。实际的发布机制被委托给{@link Discovery#publish}方法,并取决于发现的类型。
4、集群状态实现{@link Diffable}接口,以支持发布集群状态差异的部分,而不是每次更改时的整个状态。如果某个节点处于集群状态的早期版本中,则发布机制只应将差异发送给该节点。如果某个节点在集群状态的早期版本中不存在,比如新加入的节点,则此节点不太可能具有早期集群状态版本,这时候就应发送完整版本。为了确保差异应用于集群状态的正确版本,每个集群状态版本更新都会生成{@link#stateUUID},唯一地标识该版本的状态。该uuid由{@link ClusterStateDiff#apply}方法验证,以确保应用了正确的差异。如果UUID不匹配,{@link ClusterStateDiff#apply}方法抛出{@link CompatibleClusterStateVersionException},这会导致发布机制将集群状态的完整版本发送到引发此异常的节点。
上面创建完索引后,也就会生成一个新的cluster state,集群状态 cluster state包含更新的路由。接着就会回调到AllocationService#reroute,执行分片分配。
分片分配的核心逻辑是根据分片规则&分片权重(index、cluster)进行位置判断,然后进行数据移动、移动结束初始化启动、最后调整clusterstate完成分配。
AllocationService这个服务负责管理集群的节点分配,包括选择节点用于shard allocation——分片分配,管理新加入集群的新节点和分片的重新路由,他的触发条件有:
index
索引node
节点的新增或删除reroute
命令replica
副本数量此时我们的场景就是 新建索引 ;分片路由的具体实现逻辑入口如下:AllocationService#reroute
- /**
- * 在存活的节点中重新路由 路由表
- * 如果返回了相同的ClusterState实例,则不会进行任何更改。
- */
- public ClusterState reroute(ClusterState clusterState, String reason) {
- // 1、检查复制副本是否具有需要调整的自动扩展功能。如果需要更改,则返回更新的群集状态;如果不需要更改,则返回相同的群集状态。
- ClusterState fixedClusterState = adaptAutoExpandReplicas(clusterState);
-
- // 2、创建一个{@link RoutingNodes}。这是一个开销很大的操作,因此只能调用一次!
- RoutingNodes routingNodes = getMutableRoutingNodes(fixedClusterState);
-
- // 3、洗牌未分配的节点
- routingNodes.unassigned().shuffle();
- /**
- * Elasticsearch 主要通过两个基础组件来完成分片分配这个过程的: allocator 和 deciders;
- * allocator 寻找最优的节点来分配分片;
- * allocator 负责找出拥有分片数量最少的节点列表, 按分片数量递增排序, 分片数量较少的会被优先选择; 对于新建索引, allocator 的目标是以更为均衡的方式把新索引的分片分配到集群的节点中;
- * deciders 负责判断并决定是否要进行分配;
- * deciders 依次遍历 allocator 给出的节点列表, 判断是否要把分片分配给该节点, 比如是否满足分配过滤规则, 分片是否将超出节点磁盘容量阈值等等;
- */
-
- RoutingAllocation allocation = new RoutingAllocation(allocationDeciders, routingNodes, fixedClusterState,
- clusterInfoService.getClusterInfo(), currentNanoTime());
- // 关注这个方法
- reroute(allocation);
-
- if (fixedClusterState == clusterState && allocation.routingNodesChanged() == false) {
- return clusterState;
- }
- return buildResultAndLogHealthChange(clusterState, allocation, reason);
- }
shard allocation, 是一个将分片分配到节点的过程;可能发生该操作的过程包括:
initial recovery
)replica allocation
)rebalance
)分片的分配操作, 是由 master 节点来决定什么时候移动分片, 以及移动到哪个节点上, 以达到集群的均衡,详见——官方文档
哪些分片应该分配到哪些节点上?哪个分片作为主分片, 哪个作为副本分片?
Elasticsearch 主要通过两个基础组件来完成分片分配这个过程的: allocator 和 deciders;
① 对于新建的索引:
② 已有的索引
执行真正reroute逻辑,如果有节点没有分配shard,则执行gatewayAllocator.allocateUnassigned。关于gatewayAllocator的分配主要分为primaryShardAllocator和replicaShardAllocator:
- primaryShardAllocator.allocateUnassigned(allocation);
- replicaShardAllocator.processExistingRecoveries(allocation);
- replicaShardAllocator.allocateUnassigned(allocation);
执行数据分片分配BalancedShardsAllocator.allocate(allocation)。该类基于WeightFunction重新分配集群节点node持有shard的分配关系。allocate方法主要分三步:
- final Balancer balancer = new Balancer(logger, allocation, weightFunction, threshold);
- balancer.allocateUnassigned();
- balancer.moveShards();
- balancer.balance();
①:allocateUnassigned,根据WeightFunction算法和所有AllocationDecider把所有给定的shard分配一个最小化匹配的node
②:moveShards,根据第一步的结果对需要移动的节点进行移动,移动过程中为RELOCATING,移动过去初始化INITIALIZING
③:负载均衡,rebalance其实是从负载高的node向负载低的做转移。
分片分配结束后,再由主节点调用相关服务将集群状态cluster state分发到集群的其他节点上,完成集群状态同步;主节点将集群状态分发到集群中的其他节点上,具体调用栈详见该入口方法,在调用栈-1的步骤13、后的代码中
- try {
- ClusterChangedEvent clusterChangedEvent = new ClusterChangedEvent(summary, newClusterState, previousClusterState);
- // new cluster state, notify all listeners
- final DiscoveryNodes.Delta nodesDelta = clusterChangedEvent.nodesDelta();
- if (nodesDelta.hasChanges() && logger.isInfoEnabled()) {
- String nodesDeltaSummary = nodesDelta.shortSummary();
- if (nodesDeltaSummary.length() > 0) {
- logger.info("{}, term: {}, version: {}, delta: {}",
- summary, newClusterState.term(), newClusterState.version(), nodesDeltaSummary);
- }
- }
-
- logger.debug("publishing cluster state version [{}]", newClusterState.version());
- publish(clusterChangedEvent, taskOutputs, publicationStartTime);
- } catch (Exception e) {
- handleException(summary, publicationStartTime, newClusterState, e);
- }
等待集群中Active shards恢复到指定数目或者超时返回,将结果返回客户端
* Creates an index in the cluster state and waits for the specified number of shard copies to * become active (as specified in {@link CreateIndexClusterStateUpdateRequest#waitForActiveShards()}) * before sending the response on the listener.
默认情况下:只要Primary Shard是Active的,也就是wait_for_active_shards指定的分片数量(默认为1),就可以创建索引。这里有两个获取结果的方式,即isAcknowledged()和shardsAcknowledged(),如果cluster state创建成功,isAcknowledged()会返回true(然后等待shardsAcknowledged,如果超时,shardsAcknowledged返回false),否则返回false(不会等待已经started的分片,isShardsAcknowledged也会返回false)。如果Active shards未达到指定的数目,则创建索引请求会阻塞,直到集群中Active shards恢复到指定数目或者超时返回。可参考:ActiveShardsObserver#waitForActiveShards(...)方法
- clusterService.submitStateUpdateTask(
- "create-index [" + request.index() + "], cause [" + request.cause() + "]",
- new AckedClusterStateUpdateTask<ClusterStateUpdateResponse>(Priority.URGENT, request, listener) {
- @Override
- protected ClusterStateUpdateResponse newResponse(boolean acknowledged) {
- // 2、clusterState更新返回
- return new ClusterStateUpdateResponse(acknowledged);
- }
-
- @Override
- public ClusterState execute(ClusterState currentState) throws Exception {
- // 1、适配创建索引请求
- return applyCreateIndexRequest(currentState, request, false);
- }
-
- @Override
- public void onFailure(String source, Exception e) {
- if (e instanceof ResourceAlreadyExistsException) {
- logger.trace(() -> new ParameterizedMessage("[{}] failed to create", request.index()), e);
- } else {
- logger.debug(() -> new ParameterizedMessage("[{}] failed to create", request.index()), e);
- }
- super.onFailure(source, e);
- }
- });
-
-
- onlyCreateIndex(request, ActionListener.wrap(response -> {
- // 检查isAcknowledged
- if (response.isAcknowledged()) {
- activeShardsObserver.waitForActiveShards(new String[]{request.index()}, request.waitForActiveShards(), request.ackTimeout(),
- shardsAcknowledged -> {
- // 检查shardsAcknowledged;
- if (shardsAcknowledged == false) {
- logger.debug("[{}] index created, but the operation timed out while waiting for " +
- "enough shards to be started.", request.index());
- }
- listener.onResponse(new CreateIndexClusterStateUpdateResponse(response.isAcknowledged(), shardsAcknowledged));
- }, listener::onFailure);
- } else {
- listener.onResponse(new CreateIndexClusterStateUpdateResponse(false, false));
- }
- }, listener::onFailure));
索引创建成功后,客户端响应结果如下,至此,索引创建流程结束。
{
"acknowledged": true,
"shards_acknowledged": true,
"index": "cool3"
}
创建索引过程中,如果索引名不规范、或者创建配置不合理,都会在创建过程中进行校验,并且返回对应的报错信息
比如 调用栈-2 中的 索引相关校验
- /**
- * Validate the name for an index or alias against some static rules.
- */
- public static void validateIndexOrAliasName(String index, BiFunction<String, String, ? extends RuntimeException> exceptionCtor) {
- if (!Strings.validFileName(index)) {
- // ('\\', '/', '*', '?', '"', '<', '>', '|', ' ', ','))
- throw exceptionCtor.apply(index, "must not contain the following characters " + Strings.INVALID_FILENAME_CHARS);
- }
- if (index.contains("#")) {
- throw exceptionCtor.apply(index, "must not contain '#'");
- }
- if (index.contains(":")) {
- throw exceptionCtor.apply(index, "must not contain ':'");
- }
- if (index.charAt(0) == '_' || index.charAt(0) == '-' || index.charAt(0) == '+') {
- throw exceptionCtor.apply(index, "must not start with '_', '-', or '+'");
- }
- int byteCount = 0;
- try {
- byteCount = index.getBytes("UTF-8").length;
- } catch (UnsupportedEncodingException e) {
- // UTF-8 should always be supported, but rethrow this if it is not for some reason
- throw new ElasticsearchException("Unable to determine length of index name", e);
- }
- if (byteCount > MAX_INDEX_NAME_BYTES) {
- throw exceptionCtor.apply(index, "index name is too long, (" + byteCount + " > " + MAX_INDEX_NAME_BYTES + ")");
- }
- if (index.equals(".") || index.equals("..")) {
- throw exceptionCtor.apply(index, "must not be '.' or '..'");
- }
- }
- /**
- * Validate the name for an index against some static rules and a cluster state.
- */
- public void validateIndexName(String index, ClusterState state) {
- validateIndexOrAliasName(index, InvalidIndexNameException::new);
- if (!index.toLowerCase(Locale.ROOT).equals(index)) {
- throw new InvalidIndexNameException(index, "must be lowercase");
- }
-
- // NOTE: dot-prefixed index names are validated after template application, not here
-
- if (state.routingTable().hasIndex(index)) {
- throw new ResourceAlreadyExistsException(state.routingTable().index(index).getIndex());
- }
- if (state.metadata().hasIndex(index)) {
- throw new ResourceAlreadyExistsException(state.metadata().index(index).getIndex());
- }
- if (state.metadata().hasAlias(index)) {
- throw new InvalidIndexNameException(index, "already exists as alias");
- }
- }
- public void validateIndexSettings(String indexName, final Settings settings, final boolean forbidPrivateIndexSettings)
- throws IndexCreationException {
- List<String> validationErrors = getIndexSettingsValidationErrors(settings, forbidPrivateIndexSettings);
-
- if (validationErrors.isEmpty() == false) {
- ValidationException validationException = new ValidationException();
- validationException.addValidationErrors(validationErrors);
- throw new IndexCreationException(indexName, validationException);
- }
- }
至此,整个索引创建逻辑大体上分析结束,可以通过流程图,对照调用栈做分析,相关部分,比如重新路由和状态同步,后续再详细补充,包括创建索引后,具体的数据路径生成原理。
详见Elasticsearch-7.8.0集群方式运行源码,并集成IK分词器
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