干货 | Elasticsearch 数据建模指南

发布于 2022-4-25 09:54
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0、题记
我在做 Elasticsearch 相关咨询和培训过程中,发现大家普遍更关注实战中涉及的问题,下面我选取几个常见且典型的问题,和大家一起分析一下。

 

 •  订单表、账单表父子文档可以实现类似 SQL 的左连接吗?通过 canal 同步到 ES 中,能否实现类似左连接的效果?具体应该如何建模?

 

 •  一个人管理 1000  家连锁门店,如何更高效地查询自己管辖的商品类目?企微 一个人维护了 1000 个员工,如何快速查询自己管辖的员工信息?

 

 •  随着业务的增长,一个索引的字段数据不断膨胀(商品场景变化,业务一直加字段),有什么解决方法?

 

 •  一个索引字段个数设置为 1500 个,超出这个限制,会不会消耗 CPU 资源和造成写入堆积?

 

 •  日志诊断用于机器学习基线,需要将 message 分离出来,怎么在写入前搞定?

 

如果我们对上述实战问题进行归类,就都可以归结为 Elasticsearch 数据建模问题。

 

本文将以实战问题为基准,手把手带你实践 Elasticsearch 数据建模全流程,重点解析基于业务角度、数据量角度、Setting 、Mapping ,以及复杂索引关联,这五个层面中涉及的数据建模实战问题,让你学完即可应用到工作中。

 

 

1、为什么要做数据建模?


我们选型传统的数据库,这里以 MySQL 为例,做数据存储前需要考虑的问题如下:

 

 •  数据库要不要做读写分离?
 •  分几张表存储?
 •  每个表的名是什么?
 •  每个表是按照业务划分吗?
 •  单表数据大了怎么搞?分库分表还是其他?
 •  每个表要有哪些字段?每个字段设置什么类型?如何设计合理的字段类型,才能保证节省存储?
 •  哪些字段需要建索引?
 •  哪些字段需要设置外键?
 •  表之间要不要建立关联?如何实现关联联动查询?
 •  关联查询可能会很慢?如何设计阶段优化建模才能提高响应速度?


以上这些疑问也均是数据建模问题。在 MySQL 中我们往往认为建模非常有必要,但反观 Elasticsearch ,“上手快”这类先入为主的观念已根植在很多同学心中,使得大家忽略了 Elasticsearch 数据建模的重要性。

 

接下来,我们基于 MySQL 做数据存储需要考虑的问题,重新审视数据建模的定义,内容如下。

 

 •  数据模型是对描述数据、数据联系、数据语义和一致性约束进行标准化的抽象模型。
 •  数据建模是为存储在数据库中的资源创建和分析数据模型的过程。
 •  数据建模主要目的是表示系统内的数据类型、对象之间的关系及其属性。
 •  数据模型有助于了解需要哪些数据以及应如何组织数据。


到这里,相信你已经初步明晰了数据建模的重要性。但我还想提醒你的是,“一把梭用法,上来就是干”并不是捷径,尤其到了项目中后期,极易暴露出问题。经历的项目越多,你会发现建模的时间不能省。

 

下面我们具体分析一下为什么要数据建模?

 

相比于 MySQL,Elasticsearch 有非常快捷的优势

 

Elasticsearch 支持动态类型检查和匹配。也就是说,当我们写入索引数据的时候,可以不提前指定数据类型,直接插入数据。

 

以类似天眼查、企查查的工商实战数据为例(已做脱敏处理),如果利用以下语句直接创建索引和写入一条数据,岂不是很快?

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相比于 MySQL 中一个字段一个字段地敲定,这样操作确实节省了很多时间。但随着后续数据量激增,副作用便会很快显现出来。该处理方式的弊端:

 

 •  首先是极大地浪费了存储空间,所有字符串类型数据都存储为 text + keyword 组合类型,这种很多业务字段都是非必须的;

 

 •  其次字符串类型默认分词 standard,无法满足中文精细化分词检索的需求。

 

接下来,结合我自己工作中早期系统的一个案例,我们做进一步分析。

 

5 个数据节点集群(5 个分片,1 个副本),微博数据每日增量 5000W+(增量存储 150GB),核心数据磁盘 10TB 左右,很明显该系统面临存储上限问题。

 

我们当时就上述业务数据规划了一个大索引,比如微博数据一个索引,微信数据一个索引。但微博索引最多只能存储 20 天左右的数据,然后就得走删除索引数据的操作。由于 1 个索引只能通过 delete_by_query 删除部分数据,而 delete_by_query 的特点是版本号更新的逻辑删除,实际效果是越删数据量越大,磁盘占用率激增。加上是线上环境,压力之大,处理难度之大,经历过你就知道有多苦。

 

这也是很多大厂在面试候选人的时候,尤其偏爱数据建模能力强的工程师的主要原因之一。

 

比如下图是美团对大数据开发高级工程师的岗位要求,第一条就是“深入理解业务,对业务服务流程进行合理的抽象和建模。”

 
从以上两个反例,以及这条招聘信息中便可以窥探出数据建模的重要性。下面我们具体说说如何做数据建模。

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2、Elasticsearch 如何数据建模?


在做数据建模之前,会先进行架构设计,架构环节涉及选型、集群规划、节点角色划分。

 

本文涉及的建模倾向于索引层面、数据层面的建模。为了让你学完即可应用到工作中,我会结合项目实战进行讲解。

 

2.1 基于业务角度建模


Elasticsearch 适用范围非常广,包括电商、快递、日志等各行各业。涉及索引层面的设计,和业务贴合紧密。

 

其一:业务一定要细分。

 

分成哪几类数据,每类数据归结为一个索引还是多个索引,这是产品经理、架构师、项目经理要讨论敲定的问题。比如大数据类的数据,可以按照业务数据分为微博索引、微信索引、Twiiter 索引、Facebook 索引等。

 

其二:多个业务类型需不需要跨索引检索?

 

跨索引检索的痛点是字段不统一、不一致,需要写非常复杂的 bool 组合查询语句来实现。为了避免这种情况,最好的方式就是提前建模。每一类业务数据的相同或者相似字段,采取统一建模的方式。

 

下面我们举一个实际的例子加以分析。微博、微信、Twitter、Facebook 都有的字段,可以设计如下:

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这样设计的好处是:字段统一,写查询 DSL 无需特殊处理,非常快捷方便。所以,在设计阶段,多个业务索引数据要尽可能地“求同存异”。具体来说:

 

 •  求同指的是相同或者相近含义字段,一定要统一字段名、统一字段类型;

 

 •  存异指的则是特定业务数据特有字段类型,可以独立设计字段名称和类型。


比如微博信息来源字段有手机 App 或者网页等,别的业务索引如果没有,独立建模就可以。

 

类似这些建模信息可以统一 Excel 存储,统一 git 多人协作管理。

 

多索引管理一般优先推荐使用模板(template)和 别名(alias)结合的方式。

 

 •  模板的特点:相同前缀名称的索引可以归结为一大类,一次创建,N 多索引共享,非常方便。


 •  别名的特点:多个索引可以映射到一个别名,方便多索引以相同的名称统一对外提供服务。
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2.2 基于数据量角度建模


如本文前面所述,我是吃过单索引激增的亏,所以对于时序性数据(日志数据、大数据类数据)等,我强烈建议你基于时间切分索引,具体如下图所示。

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当然,其他可用的方案非常多,这里我列举如下,供你选型参考。

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由此可见,时序管理数据的优点非常明显。

 

 •  其一是灵活。基于时间切分索引非常方便,删除数据属于物理删除。
 •  其二则是快速。特定业务数据配合冷热集群架构,确保高配机器对应热数据,提升检索效率和用户体验。

 

2.3 基于 Setting 层面建模


Setting 层面又分为静态 Setting 和动态 Setting 两种。

 

一种是静态 Settings,一旦设置后,后续不可修改。如 number_of_shards

 

另一种是动态 Setting,索引创建后,后面随时可以更新。如 number_of_replicas, max_result_window, refresh_interval 。

 

仅就建模阶段最核心的问题,拆解如下。

 

 •  问题一:索引设置多少个分片?多少个副本?


这里有个认知前提,就是主分片数一旦设置后就不可以修改,副本分片数可以灵活动态调整。

 

主分片设计一般会考量总体数据量、集群节点规模,这点在集群规划层面会着重强调。一般主分片数要考虑集群未来动态扩展,通常设置为数据节点的 1 倍或者 1~3 倍之间的值。

 

副本分片是保证集群的高可用性,普通业务场景建议至少设置一个副本。

 

 •  问题二:refresh_interval 一般设置多大?


默认值 1s,这意味着在写入阶段,每秒都会生成一个分段。

 

refresh_interval 的目的是:数据由 index buffer 的堆内存缓存区刷新到堆外内存区域,形成 segment,以使得搜索可见。

 

在实际业务场景里,如果写入的数据不需要近实时搜索可见,可以适当地在模板、索引层面调大这个值,当然也可以动态调整,比如调整为 30s 或者  60s。

 

 •  问题三:max_result_window 要不要修改默认值?

 

这里同样有个认知前提,就是对于深度翻页的 from + size 实现,越往后翻页越慢。其实你对比看主流搜索引擎,比如 Google、百度、360、Bing 均不支持一下跳转到最后一页,这就是最大翻页上限限制。

 

其实在基本业务层面也很好理解,按照相关度返回结果,前面几页是最相关的,越往后相关度越低。比如默认值 10000,也就是说如果每页显示 10 条数据,可以翻 1000 页。基本业务场景已经足够了。因此不建议调大该值。

 

如果需要向后翻页查询,推荐 search_after 查询方式。如果需要全量遍历或者全量导出数据,推荐 scroll 查询方式。

 

 •  问题四:管道预处理怎么用?

 

管道预处理的好处很多,虽然 5.X 版本就有了这个功能,但实战环境用起来还不多。

管道 ingest pipeline 就相当于大数据的 ETL 抽取、转换、加载的环节,或者类似 logstash filter 处理环节。一些数据打标签、字段类型切分、加默认字段、加默认值等的预处理操作都可以借助 ingest pipelie 实现。

 

这里给出索引层面 Setting  设置的简单模板,供你进一步学习参考,如下定义了 indexed_at 缺省的管道,同时在索引 my_index_0001 指定了该缺省管道,这样做的好处,是每个新增的数据都会加了插入时刻的时间戳:indexed_at 字段,无需我们在业务层面手动处理,非常灵活和方便。


更多设置,推荐阅读官方文档,地址如下:

https://www.elastic.co/guide/en/elasticsearch/reference/current/index-modules.html#index-modules-settings

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2.4 基于 Mapping 层面建模


Mapping 层面核心是字段名称、字段类型、分词器选型、多字段 multi_fields 选型,以及字段细节(是否索引、是否存储等)的敲定。

 

(1)字段命名要规范

 

索引名称不允许用大写,字段名称官方没有限制,但是可以参考 Java 编码规范。我还真见过学员用中文或者拼音命名的,非常不专业,大家一定要避免。

 

(2)字段类型要合理


要结合业务类型选择合适的字段类型。比如 integer 能搞定的,就不要用 long、float 或 double。

 

注意,字符串类型在 5.X 版本之后分为两种类型:

 

 •  一种是 keyword,适合精准匹配、排序和聚合操作;


 •  另一种是 text,适合全文检索。默认值 text & keyword 组合不见得是最优的,选型时候要结合业务选择。比如优先选择 keyword 类型,keyword 走倒排索引更快。

 

再举个例子,实战中情感值介于 0~100 之间,50 代表中性,0~50 代表负面,50~100 代表正面。如果使用 integer 查询的时候要 range query,而实际存储可以增加字段:0~50 设置为 -1,50 设置为 0,50~100 设置为 1,三种都是 keyword 类型,检索时直接走 term 检索会非常快。

 

(3)分词器要灵活

 

实战中中文分词器用得比较多,中文分词又分为 ansj,结巴,IK 等。以 IK 举例,可以细分为 ik_smart 粗粒度分词、ik_max_word 细粒度分词。

 

在工作中,要结合业务选择合适的分词器,分词器一旦设定是不可以修改的,除非 reindex。

 

分词器选型后,都会有动态词典的更新问题。更新的前提是不要仅使用开源插件原生词典,而是要在平时业务中自己多积累特定业务数据词典、词库。

如果要动态更新:一般推荐第三方更新插件借助数据库更新实现。如果普通分词都不能满足业务需要,可以考虑 ngram 自定义分词方式实现更细粒度分词。

 

(4)multi_fields 适机使用


同一个字段根据需要可以设置多种类型。实战业务中,对用特定中文词明明存在,却无法召回的情况,采用字词混合索引的方式得以满足。

 

所谓字词混合,实际就是 standard 分词器实现单字拆解,以及 ik_max_word 实现中文切词结合的方式。检索的时候 bool 对两种分词器结合,就可以实现相对精准的召回效果。

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为了方便你记忆和使用,这里我把字段细节总结在如下这张表格中。

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我们再来分析一下数据建模的流程,如下图所示。

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首先,根据业务选择合适的数据类型。

 

注意字符串类型分为两种 text 和 keyword类型;尽量选择贴近实际大小的数据类型;nested 和 join 复杂类型需根据业务特点选型,具体会在下一部分详细阐述。

 

其次,判定是否需要检索,如果不需要,index 设置为 false 即可。

 

然后,判定是否需要排序和聚合操作,如果不需要可以设置 doc_values 为 false。

 

最后,考虑一下是否需要另行存储,会结合使用 store 和  _source 字段。

 

Mapping 层面要强调的是:尽量不要使用默认的 dynamic 动态字段类型,强烈建议 strict 严格控制字段,避免字段“暴涨”导致不可预知的风险,比如字段数超过默认 1000 个的上限、磁盘大于预期的激增等。

 

2.5 基于复杂索引关联建模


要摒弃 MySQL 的多表关联建模思想,因为 MySQL 中的范式思想都不再适用于 Elasticsearch。回顾文章开头的几个多表关联问题,Elasticsearch 能提供的核心解决方案如下。

 

(1) 宽表方案


这是空间换时间的方案,就是允许部分字段冗余存储的存储方式。实战举例如下。

 

用户索引:user。

 

博客索引:blogpost。

 

一个用户可以发表多篇博客。按照传统的 MySQL 建表思想:两个表建立个用户外键,即可搞定一切。而对于 Elasticsearch,我们更愿意在每篇博文后面都加上用户信息(这就是宽表存储的方案),看似存储量大了,但是一次检索就能搞定搜索结果。

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(2) nested 方案


Elasticsearch适用场景:1 对少量,子文档偶尔更新、查询频繁的场景。


如果需要索引对象数组并保持数组中每个对象的独立性,则应使用嵌套 Nested 数据类型而不是对象 Oject 数据类型。

 

nested 文档的优点是可以将父子关系的两部分数据(如博客+评论)关联起来,我们可以基于nested 类型做任何的查询。但缺点是查询速度相对较慢,更新子文档需要更新整篇文档。

 

(3) join 父子文档方案


 •  适用场景:子文档数据量要明显多于父文档的数据量,存在 1 对多量的关系;子文档更新频繁的场景。


比如 1 个产品和供应商之间就是 1 对 N 的关联关系。当使用父子文档时,使用 has_child 或者 has_parent 做父子关联查询。优点是父子文档可独立更新,但维护 Join 关系需要占据部分内存,查询较 Nested 更耗资源。

 

注意:5.X 之前版本叫父子文档(多 type 实现),6.X 之后高版本是 join 类型(单 type 类型)。

 

(4) 业务层面实现关联


需通过多次检索获取所需的关键字段,业务层面自己写代码实现。

 

这里小结一下,以上四种方式便是 Elasticsearch 能实现的全量多表关联方案。实战建模阶段,一定要结合自己的业务场景,尽量往上靠,先通过 kibana dev tool 模拟实现,找到契合自己业务的多表关联方案。

 

此外我还要强调的是:多表关联都会有性能问题,数据量极大且检索性能要求高的场景需要慎用。这里我摘取了官方文档对应的描述如下,供你参考。

 

尤其应该避免多表关联。Nested 嵌套可以使查询慢几倍,而 Join 父子关系可以使查询慢数百倍。

 

3、总结


最后,我们再来总结一下建模其他核心考量因素。

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 •  尽量空间换时间:能多个字段解决的不要用脚本实现。


 •  尽量前期数据预处理,不要后期脚本。优先选择 ingest process 数据预处理实现,尽量不要留到后面 script 脚本实现。

 

 •  能指定路由的提前指定路由。写入的时候指定路由,检索的时候也同样适用路由。

 

 •  能前置的尽量前置,让后面检索聚合更加清爽。比如 index sorting 前置索引字段排序是非常好的方式。

 

数据建模是 Elasticsearch 开发实战中非常重要的一环,也是项目管理角度中的设计环节的重中之重,你一定要重视!千万不要着急写业务代码,以“代码之前,设计先行”作为行动准绳。

 

感谢你的时间!有 Elasticsearch 建模问题欢迎留言交流。

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