?這篇文章，我們來聊一下最近這一兩年行業(yè)內(nèi)Java高級工程師面試的時候尤為常見的一個問題：談?wù)勀銓Ψ植际剿阉饕娴睦斫猓牧乃募軜?gòu)原理？

很多同學(xué)可能從來沒接觸過這個東西，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事兒吧，搜索這個技術(shù)領(lǐng)域里最入門級別的一個概念就是倒排索引。

我們先簡單說一下倒排索引是個什么東西。

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，那么這個數(shù)據(jù)的格式大致如下：

很簡單吧，假設(shè)有一個id字段標識了每個帖子數(shù)據(jù)，然后title字段是帖子的標題，content字段是帖子的內(nèi)容。

那么這個時候，比如我們要是用數(shù)據(jù)庫來進行搜索包含“Java”這個關(guān)鍵字的所有帖子，大致SQL如下：

咱們姑且不論這個數(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，這個不是本文討論的重點，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，每句話分成一個一個的關(guān)鍵詞，然后記錄好每個關(guān)鍵詞對應(yīng)出現(xiàn)在了哪些id標識的數(shù)據(jù)里。

那么你要搜索包含“Java”關(guān)鍵詞的帖子，直接掃描這個倒排索引，在倒排索引里找到“Java”這個關(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id找到對應(yīng)的數(shù)據(jù)就可以了，這個就是倒排索引的數(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，假如我們就用一臺機器部署一個搜索引擎系統(tǒng)，然后利用上述的那種倒排索引來存儲數(shù)據(jù)，同時支持一些全文檢索之類的搜索功能，那么會有什么問題？

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

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

當然是放不下的了，你的機器磁盤空間是不夠的。

大家看一下下面的圖：

所以這個時候，你就得用分布式搜索引擎了，也就是要使用多臺機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臺機器，每臺機器上部署一個ES進程，管理那臺機器上的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臺機器上來存儲了？這不就是索引數(shù)據(jù)的分布式存儲嗎？

而且，你在搜索數(shù)據(jù)的時候，不就可以利用3臺機器來對分布式存儲后的數(shù)據(jù)進行搜索了？每臺機器上的ES進程不都可以對一部分數(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，每臺機器放一部分，然后利用多臺機器對分散之后的數(shù)據(jù)進行搜索，所有操作全部是分布在多臺機器上進行，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”這個東西，他是索引的意思，其實他有點類似于數(shù)據(jù)庫里的一張表，大概對應(yīng)表的那個概念。

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

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

下面就是一個document，這個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)容就會拆分為倒排索引的數(shù)據(jù)格式來存儲。

四、Shard數(shù)據(jù)分片機制

那么這個時候大家考慮一下，比如說你有一個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，這個還好說。

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

那你這個index的數(shù)據(jù)還能在一臺機器上存儲嗎？答案明顯是不能的。

?這個時候，你必須得支持這個index的數(shù)據(jù)分布式存儲在多臺機器上，利用多臺機器的磁盤空間來承載這么大的數(shù)據(jù)量。

而且，需要保證每臺機器上對這個index存儲的數(shù)據(jù)量不要太大，因為控制單臺機器上這個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概念：Shard數(shù)據(jù)分片結(jié)構(gòu)。每個index你都可以指定創(chuàng)建多少個shard，每個shard就是一個數(shù)據(jù)分片，會負責存儲這個index的一部分數(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index你設(shè)置了3個shard。

那么每個shard就可以包含一個1TB大小的數(shù)據(jù)分?片，每個shard在集群里的一臺機器上，這樣就形成了利用3臺機器來分布式存儲一個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)分布式存儲在了3臺機器上，每臺機器上有一個shard，每個shard負責管理這個index的其中1TB數(shù)據(jù)的分片。

而且，另外一個好處是，假設(shè)我們要對這個index的3TB數(shù)據(jù)運行一個搜索，是不是可以發(fā)送請求到3臺機器上去？

3臺機器上的shard直接可以分布式的并行對一部分數(shù)據(jù)進行搜索，起到一個分布式搜索的效果，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)冗余機制

但是現(xiàn)在有一個問題，假如說3臺機器中的其中一臺宕機了，此時怎么辦呢？

是不是這個index的3TB數(shù)據(jù)的1/3就丟失了？因為上面有1TB的數(shù)據(jù)分片沒了。

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

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

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

這個初始的shard就是primary shard，而且primary shard和replica shard是絕對不會放在一臺機器上的，避免一臺機器宕機直接一個shard的副本也同時丟失了。

我們再來看下面的圖，感受一下：

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

Elasticsearch默認是支持每個index是5個primary shard，每個primary shard有1個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，到單機無法承載海量數(shù)據(jù)，再到分布式搜索引擎的存儲和搜索。

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)分片機制，replica多副本機制，解釋了一下分布式搜索引擎的架構(gòu)原理。

最后還是強調(diào)一下，在Java面試尤其是高級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！