滴滴ElasticSearch千万级TPS写入性能翻倍技术剖析

桔妹导读：滴滴ElasticSearch平台承接了公司内部全部使用ElasticSearch的业务，包括核心搜索、RDS从库、日志检索、安全数据分析、指标数据分析等等。平台规模达到了3000+节点，5PB 的数据存储，超过万亿条数据。平台写入的峰值写入TPS达到了2000w/s，天天近 10 亿次检索查询。为了承接这么大的体量和丰富的使用场景，滴滴ElasticSearch须要解决稳定性、易用性、性能、成本等诸多问题。咱们在4年多的时间里，作了大量优化，积攒了很是丰富的经验。经过建设滴滴搜索平台，打造滴滴ES引擎，全方位提高用户使用ElasticSearch体验。此次给你们分享的是滴滴在写入性能优化的实践，优化后，咱们将ES索引的写入性能翻倍，结合数据冷热分离场景，支持大规格存储的物理机，给公司每一年节省千万左右的服务器成本。

1.背景

前段时间，为了下降用户使用ElasticSearch的存储成本，咱们作了数据的冷热分离。为了保持集群磁盘利用率不变，咱们减小了热节点数量。ElasticSearch集群开始出现写入瓶颈，节点产生大量的写入rejected，大量从kafka同步的数据出现写入延迟。咱们深刻分析写入瓶颈，找到了突破点，最终将Elasticsearch的写入性能提高一倍以上，解决了ElasticSearch瓶颈致使的写入延迟。这篇文章介绍了咱们是如何发现写入瓶颈，并对瓶颈进行深刻分析，最终进行了创新性优化，极大的提高了写入性能。

2.写入瓶颈分析

2.1发现瓶颈

咱们去分析这些延迟问题的时候，发现了一些不太好解释的现象。以前作性能测试时，ES节点cpu利用率能超过80%，而生产环境延迟索引所在的节点cpu资源只使用了不到50%，集群平均cpu利用率不到40%，这时候IO和网络带宽也没有压力。经过提高写入资源，写入速度基本没增长。因而咱们开始一探究竟，咱们选取了一个索引进行验证，该索引使用10个ES节点。从下图看到，写入速度不到20w/s，10个ES节点的cpu，峰值在40-50%之间。

为了确认客户端资源是足够的，在客户端不作任何调整的状况下，将索引从10个节点，扩容到16个节点，从下图看到，写入速度来到了30w/s左右。

这证实了瓶颈出在服务端，ES节点扩容后，性能提高，说明10个节点写入已经达到瓶颈。可是上图能够看到，CPU最多只到了50%，并且此时IO也没达到瓶颈。

2.2 ES写入模型说明

这里要先对ES写入模型进行说明，下面分析缘由会跟写入模型有关。

客户端通常是准备好一批数据写入ES，这样能极大减小写入请求的网络交互，使用的是ES的BULK接口，请求名为BulkRequest。这样一批数据写入ES的ClientNode。ClientNode对这一批数据按数据中的routing值进行分发，组装成一批BulkShardRequest请求，发送给每一个shard所在的DataNode。发送BulkShardRequest请求是异步的，可是BulkRequest请求须要等待所有BulkShardRequest响应后，再返回客户端。

2.3 寻找缘由

咱们在ES ClientNode上有记录BulkRequest写入slowlog。

• items是一个BulkRequest的发送请求数
• totalMills 是BulkRequest请求的耗时
• max记录的是耗时最长的BulkShardRequest请求
• avg记录的是全部BulkShardRequest请求的平均耗时。

我这里截取了部分示例。

[xxx][INFO ][o.e.m.r.RequestTracker ] [log6-clientnode-sf-5aaae-10] bulkDetail||requestId=null||size=10486923||items=7014||totalMills=2206||max=2203||avg=37
[xxx][INFO ][o.e.m.r.RequestTracker ] [log6-clientnode-sf-5aaae-10] bulkDetail||requestId=null||size=210506||items=137||totalMills=2655||max=2655||avg=218

从示例中能够看到，2条记录的avg相比max都小了不少。一个BulkRequest请求的耗时，取决于最后一个BulkShardRequest请求的返回。这就很容易联想到分布式系统的长尾效应。

接下来再看一个现象，咱们分析了某个节点的write线程的状态，发现节点有时候write线程全是runnable状态，有时候又有大量在waiting。此时写入是有瓶颈的，runnable状态能够理解，但却常常出现waiting状态。因此这也能印证了CPU利用率不高。同时也论证长尾效应的存在，由于长尾节点繁忙，ClientNode在等待繁忙节点返回BulkShardRequest请求，其余节点可能出现相对空闲的状态。下面是一个节点2个时刻的线程状态：

时刻一：

时刻二：

2.4 瓶颈分析

谷歌大神Jeffrey Dean《The Tail At Scale》介绍了长尾效应，以及致使长尾效应的缘由。总结下来，就是正常请求都很快，可是偶尔单次请求会特别慢。这样在分布式操做时会致使长尾效应。咱们从ES原理和实现中分析，形成ES单次请求特别慢的缘由。发现了下面几个因素会形成长尾问题：

2.4.1 lucene refresh

咱们打开lucene引擎内部的一些日志，能够看到：

write线程是用来处理BulkShardRequest请求的，可是从截图的日志能够看到，write线程也会会进行refresh操做。这里面的实现比较复杂，简单说，就是ES按期会将写入buffer的数据refresh成segment，ES为了防止refresh不过来，会在BulkShardRequest请求的时候，判断当前shard是否有正在refresh的任务，有的话，就会帮忙一块儿分摊refresh压力，这个是在write线程中进行的。这样的问题就是形成单次BulkShardRequest请求写入很慢。还致使长时间占用了write线程。在write queue的缘由会具体介绍这种危害。

2.4.2 translog ReadWriteLock

ES的translog相似LSM-Tree的WAL log。ES实时写入的数据都在lucene内存buffer中，因此须要依赖写入translog保证数据的可靠性。ES translog具体实现中，在写translog的时候会上ReadLock。在translog过时、翻滚的时候会上WriteLock。这会出现，在WriteLock期间，实时写入会等待ReadLock，形成了BulkShardRequest请求写入变慢。咱们配置的tranlog写入模式是async，正常开销是很是小的，可是从图中能够看到，写translog偶尔可能超过100ms。

2.4.3 write queue

ES DataNode的写入是用标准的线程池模型是，提供一批active线程，咱们通常配置为跟cpu个数相同。而后会有一个write queue，咱们配置为1000。DataNode接收BulkShardRequest请求，先将请求放入write queue，而后active线程有空隙的，就会从queue中获取BulkShardRequest请求。这种模型下，当写入active线程繁忙的时候，queue中会堆积大量的请求。这些请求在等待执行，而从ClientNode角度看，就是BulkShardRequest请求的耗时变长了。下面日志记录了action的slowlog，其中waitTime就是请求等待执行的时间，能够看到等待时间超过了200ms。

[xxx][INFO ][o.e.m.r.RequestTracker ] [log6-datanode-sf-4f136-100] actionStats||action=indices:data/write/bulk[s][p]||requestId=546174589||taskId=6798617657||waitTime=231||totalTime=538

[xxx][INFO ][o.e.m.r.RequestTracker ] [log6-datanode-sf-4f136-100] actionStats||action=indices:data/write/bulk[s][p]||requestId=546174667||taskId=6949350415||waitTime=231||totalTime=548

###2.4.4 JVM GC

ES正常一次写入请求基本在亚毫秒级别，可是jvm的gc可能在几十到上百毫秒，这也增长了BulkShardRequest请求的耗时。这些加剧长尾现象的case，会致使一个状况就是，有的节点很繁忙，发往这个节点的请求都delay了，而其余节点却空闲下来，这样总体cpu就没法充分利用起来。

2.5 论证结论

长尾问题主要来自于BulkRequest的一批请求会分散写入多个shard，其中有的shard的请求会由于上述的一些缘由致使响应变慢，形成了长尾。若是每次BulkRequest只写入一个shard，那么就不存在写入等待的状况，这个shard返回后，ClientNode就能将结果返回给客户端，那么就不存在长尾问题了。

咱们作了一个验证，修改客户端SDK，在每批BulkRequest写入的时候，都传入相同的routing值，而后写入相同的索引，这样就保证了BulkRequest的一批数据，都写入一个shard中。

优化后，第一个平稳曲线是，每一个bulkRequest为10M的状况，写入速度在56w/s左右。以后将bulkRequest改成1M（10M差很少有4000条记录，以前写150个shard，因此bulkSize比较大）后，性能还有进一步提高，达到了65w/s。

从验证结果能够看到，每一个bulkRequest只写一个shard的话，性能有很大的提高，同时cpu也能充分利用起来，这符合以前单节点压测的cpu利用率预期。

3. 性能优化

从上面的写入瓶颈分析，咱们发现了ES没法将资源用满的缘由来自于分布式的长尾问题。因而咱们着重思考如何消除分布式的长尾问题。而后也在探寻其余的优化点。总体性能优化，咱们分红了三个方向：

• 横向优化，优化写入模型，消除分布式长尾效应。
• 纵向优化，提高单节点写入能力。
• 应用优化，探究业务节省资源的可能。

此次的性能优化，咱们在这三个方向上都取得了一些突破。

3.1 优化写入模型

写入模型的优化思路是将一个BulkRequest请求，转发到尽可能少的shard，甚至只转发到一个shard，来减小甚至消除分布式长尾效应。咱们完成的写入模型优化，最终能作到一个BulkRequest请求只转发到一个shard，这样就消除了分布式长尾效应。

写入模型的优化分红两个场景。一个是数据不带routing的场景，这种场景用户不依赖数据分布，比较容易优化的，能够作到只转发到一个shard。另外一个是数据带了routing的场景，用户对数据分布有依赖，针对这种场景，咱们也实现了一种优化方案。

3.1.1 不带routing场景

因为用户对routing分布没有依赖，ClientNode在处理BulkRequest请求中，给BulkRequest的一批请求带上了相同的随机routing值，而咱们生成环境的场景中，一批数据是写入一个索引中，因此这一批数据就会写入一个物理shard中。

3.1.2 带routing场景

下面着重介绍下咱们在带routing场景下的实现方案。这个方案，咱们须要在ES Server层和ES SDK都进行优化，而后将二者综合使用，来达到一个BulkRequest上的一批数据写入一个物理shard的效果。优化思路ES SDK作一次数据分发，在ES Server层作一次随机写入来让一批数据写入同一个shard。

先介绍下Server层引入的概念，咱们在ES shard之上，引入了逻辑shard的概念，命名为number_of_routing_size 。ES索引的真实shard咱们称之为物理shard，命名是number_of_shards。

物理shard必须是逻辑shard的整数倍，这样一个逻辑shard能够映射到多个物理shard。一组逻辑shard，咱们命名为slot，slot总数为number_of_shards / number_of_routing_size。

数据在写入ClientNode的时候，ClientNode会给BulkRequest的一批请求生成一个相同的随机值，目的是为了让写入的一批数据，都能写入相同的slot中。数据流转如图所示：

最终计算一条数据所在shard的公式以下：

slot = hash(random(value)) % (number_of_shards/number_of_routing_size)
shard_num = hash(_routing) % number_of_routing_size + number_of_routing_size * slot

而后咱们在ES SDK层进一步优化，在BulkProcessor写入的时候增长逻辑shard参数，在add数据的时候，能够按逻辑shard进行hash，生成多个BulkRequest。这样发送到Server的一个BulkRequest请求，只有一个逻辑shard的数据。最终，写入模型变为以下图所示：

通过SDK和Server的两层做用，一个BulkRequest中的一批请求，写入了相同的物理shard。

这个方案对写入是很是友好的，可是对查询会有些影响。因为routing值是对应的是逻辑shard，一个逻辑shard要对应多个物理shard，因此用户带routing的查询时，会去一个逻辑shard对应的多个物理shard中查询。

咱们针对优化的是日志写入的场景，日志写入场景的特征是写多读少，并且读写比例差异很大，因此在实际生产环境中，查询的影响不是很大。

3.2 单节点写入能力提高

单节点写入性能提高主要有如下优化：

backport社区优化，包括下面2方面：

• merge 社区flush优化特性：[#27000] Don't refresh on _flush _force_merge and _upgrade
• merge 社区translog优化特性，包括下面2个：
• [#45765] Do sync before closeIntoReader when rolling generation to improve index performance
• [#47790] sync before trimUnreferencedReaders to improve index preformance

这些特性咱们在生产环境验证下来，性能大概能够带来18%的性能提高。

咱们还作了2个可选性能优化点：

• 优化translog，支持动态开启索引不写translog，不写translog的话，咱们能够再也不触发translog的锁问题，也能够缓解了IO压力。可是这可能带来数据丢失，因此目前咱们作成动态开关，能够在须要追数据的时候临时开启。后续咱们也在考虑跟flink团队结合，经过flink checkpoint保证数据可靠性，就能够不依赖写入translog。从生产环境咱们验证的状况看，在写入压力较大的索引上开启不写translog，能有10-30%不等的性能提高。
• 优化lucene写入流程，支持在索引上配置在write线程不一样步flush segment，解决前面提到长尾缘由中的lucene refresh问题。在生产环境上，咱们验证下来，能有7-10%左右的性能提高。

3.2.1 业务优化

在本次进行写入性能优化探究过程当中，咱们还和业务一块儿发现了一个优化点，业务的日志数据中存在2个很大的冗余字段(args、response)，这两个字段在日志原文中存在，还另外用了2个字段存储，这两个字段并无加索引，日志数据写入ES时能够不从日志中解析出这2个字段，在查询的时候直接从日志原文中解析出来。

不清洗大的冗余字段，咱们验证下来，能有20%左右的性能提高，该优化同时还带来了10%左右存储空间节约。

4. 生产环境性能提高结果

4.1 写入模型优化

咱们重点看下写入模型优化的效果，下面的优化，都是在客户端、服务端资源没作任何调整的状况下的生产数据。

下图所示索引开启写入模型优化后，写入tps直接从50w/s，提高到120w/s。

生产环境索引写入性能的提高比例跟索引混部状况、索引所在资源大小（长尾问题影响程度）等因素影响。从实际优化效果看，不少索引都能将写入速度翻倍，以下图所示：

4.2 写入拒绝量(write rejected)降低

而后再来看一个关键指标，写入拒绝量(write rejected)。ES datanode queue满了以后就会出现rejected。

rejected异常带来个危害，一个是个别节点出现rejected，说明写入队列满了，大量请求在队列中等待，而region内的其余节点却可能很空闲，这就形成了cpu总体利用率上不去。

rejected异常另外一个危害是形成失败重试，这加剧了写入负担，增长了写入延迟的可能。

优化后，因为一个bulk请求再也不分到每一个shard上，而是写入一个shard。一来减小了写入请求，二来再也不须要等待所有shard返回。

4.3 延迟状况缓解

最后再来看下写入延迟问题。通过优化后，写入能力获得大幅提高后，极大的缓解了当前的延迟状况。下面截取了集群优化先后的延迟状况对比。

5.总结

此次写入性能优化，滴滴ES团队取得了突破性进展。写入性能提高后，咱们用更少的SSD机器支撑了数据写入，支撑了数据冷热分离和大规格存储物理机的落地，在这过程当中，咱们下线了超过400台物理机，节省了每一年千万左右的服务器成本。在整个优化过程当中，咱们深刻分析ES写入各个环节的耗时状况，去探寻每一个耗时环节的优化点，对ES写入细节有了更加深入的认识。咱们还在持续探寻更多的优化方式。并且咱们的优化不只在写入性能上。在查询的性能和稳定性，集群的元数据变动性能等等方面也都在不断探索。咱们也在持续探究如何给用户提交高可靠、高性能、低成本、更易用的ES，将来会有更多干货分享给你们。

团队介绍

滴滴云平台事业群滴滴搜索平台在开源 Elasticsearch 基础上提供企业级的海量数据的 binlog 数仓，数据分析、日志搜索，全文检索等场景的服务。 通过多年的技术沉淀，基于滴滴深度定制的Elasticsearch内核，打造了稳定易用，低成本、高性能的搜索服务。滴滴搜索平台除了服务滴滴内部使用Elasticsearch的所有业务，还在进行商业化输出，已和多家公司展开商业合做。目前团队内部有三位Elasticsearch Contributor。

做者简介

滴滴Elasticsearch引擎负责人，负责带领引擎团队深刻Elasticsearch内核，解决在海量规模下Elasticsearch遇到的稳定性、性能、成本方面的问题。曾在盛大、网易工做，有丰富的引擎建设经验。

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内容编辑 | Charlotte
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