Elasticsearch中filter查询优化：number? keyword? 傻傻分不清楚

【携程旅行网 吴晓刚】

上周，在某多多搬砖的一位朋友在微信上找我咨询，说他们公司一个ES集群从2.4升级到5.5以后，一个很简单的Query查询耗时突然从几十毫秒，变成800-1000毫秒，几十倍的性能下降！原始问题链接:# Why my search slow?

这个查询非常简单，就是3个过滤条件求交集而已:

{"from": 0,"size": 10,"query": {"bool": {"filter": [{"terms": {"goods_id": ["262628158"],"boost": 1.0}},{"terms": {"status": ["2","4"],"boost": 1.0}},{"range": {"create_time": {"from": "1514027649","to": "1514632449","include_lower": true,"include_upper": true,"boost": 1.0}}}],"disable_coord": false,"adjust_pure_negative": true,"boost": 1.0}},"sort": [{"create_time": {"order": "desc"}}]
}

通过profile查看，发现耗时主要在status字段的build_scorer这个阶段。

对方同时提到，只要去掉"status":["2", "4"]这个查询条件，速度就会恢复正常。进一步询问后得知，查询的索引文档总量相当巨大，达到16亿条，而status字段只有几个不同的数字，在mapping里被定义为数值型short。

我的第一反应，status只有几个值，意味着该字段的filter得到的结果集是海量的。可能是处理这个大结果集的代价很高造成的缓慢，但是具体什么原因我一时也说不上来。

脑子里开始翻查ES 2.x -> 5.x升级对于数值类型和Term Query有何重大变化？想起来两点:

1. Lucene6.0引入了重新设计的数值类型的索引结构，不再采用倒排索，而是使用了更适合范围查找的Block K-d Tree。 ES从5.0开始引入这种新结构。(参考: searching-numb3rs-in-5.0）
2. Term Query由于通常非常快，从5.1.1开始不再被缓存到Query Cache

显然这个status字段不用于范围查找，字段类型设置上keyword比number更合理。 但我也没想明白为何number在这场景下查询会慢这么多，所以我也稍稍有些怀疑2.x缓存了Term Query是造成性能差异的原因。 当时让朋友做了个测试，将TermQuery换成RangeQuery，被告知速度飞快，只要几十个毫秒，并且多执行几次后更是快到只有几个毫秒了。(因为RangeQuery反复执行会被Cache起来)。

隔天，朋友根据建议将status先改为keyword，重新索引数据后，查询性能奇迹般的恢复到正常，所以基本可以确定和缓存无关了。

恰巧社区也有人在经历同样的问题: Elastic对类似枚举数据的搜索性能优化 ，看起来是个普遍现象，值得研究找出问题根源。

花了几天的时间参阅技术文档，也粗略读了一下ES/Lucene相关代码后，总算搞清楚了问题的来龙去脉。 本文将对相关技术细节做分析，然后回答下面3个问题:

1. 为什么ES5.x里对数值型字段做TermQuery可能会很慢?
2. 为何Profile里显示的耗时几乎全部在build_scorer?
3. 为什么对同样的数值型字段做RangeQuery却又很快了？

为更好的理解这个问题，先谈一下几点预备知识:

• ES2.x和5.x的数值类型分别是如何索引的
• Block k-d tree的基本概念和Lucene实现
• Queries/filters执行的先后顺序及结果合并是怎样做的

ES2.x和5.x的数值类型分别是如何索引的

ES5.x之前用到的Lucene版本，实际上只能够索引文本类型的数据，表面上被定义为数值类型的字段，在暗地里都被转换成了字符串，编排成了倒排索引。例如:

这种结构对于精确的数值查询速度还是比较快的，直接从倒排索引根据查找的term拿到postings list就好了。 但类似range: [50, 100]这样的范围查找就比较麻烦了，Lucene在找到对应的term后，只能将其转换成类似50 OR 51 OR 52 ... OR 100这样的Bool查询。可想而知，这个多条件OR查询开销很高，执行很慢。所以Lucene在创建索引的时候，会自动产生一些类似50x75 这样的特殊Term，指向包含在该范围的文档列表，从而可以将查询优化成类似50x75 OR 76x99 OR 100 这种形式。但是这种优化在字段的不同值很多，查询范围很大的时候，依然很无力。 因此早期版本的Lucene和ES的范围查询性能一直被诟病。

Lucene从6.0开始引入了Block k-d tree来重新设计数值类型的索引结构，其目标是让数值型数据索引的结构更紧凑，搜索速度更快。这种数据结构是为多维数值字段设计的，可以高效的用于诸如地理位置这类数据的快速过滤，但同样适用于单维度的数值型。

Block k-d tree的基本概念和Lucene实现

基本思想就是将一个N维的数值空间，不断选定包含值最多的维度做2分切割，反复迭代，直到切分出来的空间单元(cell)包含的值数量小于某个数值。 对于单维度的数据，实际上就是简单的对所有值做一个排序，然后反复从中间做切分，生成一个类似于B-tree这样的结构。和传统的B-tree不同的是，他的叶子结点存储的不是单值，而是一组值的集合，也就是是所谓的一个Block。每个Block内部包含的值数量控制在512- 1024个，保证值的数量在block之间尽量均匀分布。 其数据结构大致看起来是这样的:

Lucene将这颗B-tree的非叶子结点部分放在内存里，而叶子结点紧紧相邻存放在磁盘上。当作range查询的时候，内存里的B-tree可以帮助快速定位到满足查询条件的叶子结点块在磁盘上的位置，之后对叶子结点块的读取几乎都是顺序的。

要注意一点，不是简单的将拿到的所有块合并就可以得到想要的docID结果集，因为查询的上下边界不一定刚好落在两端block的上下边界上。 所以如果需要拿到range filter的结果集，就要对于两端的block内的docid做扫描，将他们的值和range的上下边界做比较，挑选出match的docid集合。

Queries/filters执行的先后顺序及结果合并是怎样做的

ES的Queries/filters执行顺序比较复杂，并非按照Query里条件的排列顺序来挨个执行；也不是某些人想象的那样，每个filter/Query都独立执行，拿到各自的结果集以后，再做结果集的合并。 在elasticsearch-query-execution-order 这篇博客里对这个主题做了比较详细的介绍。

简单来说，ES会先通过调用每个查询的cost()函数估算一下该查询的代价，然后选择代价最小的查询作为起点，在其圈定的docid集合上生成一个迭代器。然后反复迭代，根据和其他条件之间是AND还是OR的关系，再去决定结果集合并的方式。

这个结果集的迭代，以及合并，就是上面链接里提到的nextdoc()和advance()等操作。 比较复杂的地方是这些操作根据数据类型的不同和查询类型的不同，ES都有针对性的进行操作优化，同样的操作有些可能是在内存中进行，有些则可能直接在磁盘上进行。

以最常见的keyword字段做TermQuery为例，其cost就是Term Frequency，这个值可以直接从倒排索引读取。 Frequency越高的Term，其postings list就越长，迭代起来的代价就越高。 所以如果对多个TermQuery做AND合并，就会选择Frequency最低的Term，以其postings list为起点做迭代(nextdoc)。 Postings list是按照docid顺序存放的，并且在数据结构上还增加了跳表来加快advance()操作。因此多个postings list的合并可以直接操作磁盘上的数据而不会引起过多的随机IO，加上ES5.0以后对于索引数据采取了mmap file的方式访问，热数据读取引发的磁盘IO愈发的少。 这也是为什么5.1.1之后取消了TermQuery的cache，因为在跳表和OS page cache的加持下，直接合并磁盘上的postings list已经非常快了。 取消对其cache后，可以减少构造cache的开销，并且将宝贵的cache空间留给代价更高的filter，一定程度上可以提升ES整体性能。

有了这些预备知识，再来解答文首抛出的3个问题。

1. 为什么ES5.x里对数值型字段做TermQuery可能会很慢?

首先，用户范例查询里还有其他更加结果集更小的TermQuery，cost更低，因此迭代器从选择从这个低代价的Query作为起点开始执行; 其次，因为数值型字段在5.x里没有采用倒排表索引， 而是以value为序，将docid切分到不同的block里面。对应的，数值型字段的TermQuery被转换为了PointRangeQuery。这个Query利用Block k-d tree进行范围查找速度非常快，但是满足查询条件的docid集合在磁盘上并非向Postlings list那样按照docid顺序存放，也就无法实现postings list上借助跳表做蛙跳的操作。 要实现对docid集合的快速advance操作，只能将docid集合拿出来，做一些再处理。 这个处理过程在org.apache.lucene.search.PointRangeQuery#createWeight这个方法里可以读取到。 这里就不贴冗长的代码了，主要逻辑就是在创建scorer对象的时候，顺带先将满足查询条件的docid都选出来，然后构造成一个代表docid集合的bitset，这个过程和构造Query cache的过程非常类似。 之后advance操作，就是在这个bitset上完成的。

2. 为何Profile里显示的耗时几乎全部在build_scorer?

回答第一个问题的时候提到了，如果查看PointRangeQuery的源码，构造scorer对象的构造过程包含了bitset的生成过程，所以耗时的实际上是构造一个巨大的bitset并在上面生成一个迭代器。

3. 为什么对同样的数值型字段做RangeQuery却又很快了?

从上面数值型字段的Block k-d tree的特性可以看出，rangeQuery的结果集比较小的时候，其构造bitset的代价很低，不管是从他开始迭代做nextdoc()，或者从其他结果集开始迭代，对其做advance，都会比较快。 但是如果rangeQuery的结果集非常巨大，则构造bitset的过程会大大延缓scorer对象的构造过程，造成结果合并过程缓慢。
这个问题官方其实早已经意识到了，所以从ES5.4开始，引入了indexOrDocValuesQuery作为对RangeQuery的优化。（参考: better-query-planning-for-range-queries-in-elasticsearch）。 这个Query包装了上面的PointRangeQuery和SortedSetDocValuesRangeQuery，并且会根据Rang查询的数据集大小，以及要做的合并操作类型，决定用哪种Query。 如果Range的代价小，可以用来引领合并过程，就走PointRangeQuery，直接构造bitset来进行迭代。 而如果range的代价高，构造bitset太慢，就使用SortedSetDocValuesRangeQuery。 这个Query利用了DocValues这种全局docID序，并包含每个docid对应value的数据结构来做文档的匹配。 当给定一个docid的时候，一次随机磁盘访问就可以定位到该id对应的value，从而可以判断该doc是否match。 因此它非常适合从其他查询条件得到的一个小结果集作为迭代起点，对于每个docid依次调用其内部的matches()函数判断匹配与否。也就是说， 5.4新增的indexOrDocValuesQuery将Range查询过程中的顺序访问任务扔给Block k-d Tree索引，将随机访任务交给doc values。 值得注意的是目前这个优化只针对RangeQuery！对于TermQuery，因为实际的复杂性，还未做类似的优化，也就导致对于数值型字段，Term和Range Query的性能差异极大。

小结:

1. 在ES5.x里，一定要注意数值类型是否需要做范围查询，看似数值，但其实只用于Term或者Terms这类精确匹配的，应该定义为keyword类型。典型的例子就是索引web日志时常见的HTTP Status code。
2. 如果RangeQuery的结果集很大，并且还需要和其他结果集更小的查询条件做AND的，应该升级到ES5.4+，该版本在底层引入的indexOrDocValuesQuery，可以极大提升该场景下RangeQuery的查询速度。