ElasticSearch 深度分页示例解析

1 前言

ElasticSearch 是一个实时的分布式搜索与分析引擎，常用于大量非结构化数据的存储和快速检索场景，具有很强的扩展性。纵使其有诸多优点，在搜索领域远超关系型数据库，但依然存在与关系型数据库同样的深度分页问题，本文就此问题做一个实践性分析探讨

2 from + size 分页方式

from + size 分页方式是 ES 最基本的分页方式，类似于关系型数据库中的 limit 方式。from 参数表示：分页起始位置；size 参数表示：每页获取数据条数。例如：

GET /wms_order_sku/_search
{
  "query": {
    "match_all": {}
  },
  "from": 10,
  "size": 20
}

该条 DSL 语句表示从搜索结果中第 10 条数据位置开始，取之后的 20 条数据作为结果返回。这种分页方式在 ES 集群内部是如何执行的呢？在 ES 中，搜索一般包括 2 个阶段，Query 阶段和 Fetch 阶段，Query 阶段主要确定要获取哪些 doc，也就是返回所要获取 doc 的 id 集合，Fetch 阶段主要通过 id 获取具体的 doc。

2.1 Query 阶段

如上图所示，Query 阶段大致分为 3 步：

• 第一步：Client 发送查询请求到 Server 端，Node1 接收到请求然后创建一个大小为 from + size 的优先级队列用来存放结果，此时 Node1 被称为 coordinating node（协调节点）；
• 第二步：Node1 将请求广播到涉及的 shard 上，每个 shard 内部执行搜索请求，然后将执行结果存到自己内部的大小同样为 from+size 的优先级队列里；
• 第三步：每个 shard 将暂存的自身优先级队列里的结果返给 Node1，Node1 拿到所有 shard 返回的结果后，对结果进行一次合并，产生一个全局的优先级队列，存在 Node1 的优先级队列中。（如上图中，Node1 会拿到 (from + size) * 6 条数据，这些数据只包含 doc 的唯一标识_id 和用于排序的_score，然后 Node1 会对这些数据合并排序，选择前 from + size 条数据存到优先级队列）；

2.2 Fetch 阶段

如上图所示，当 Query 阶段结束后立马进入 Fetch 阶段，Fetch 阶段也分为 3 步：

• 第一步：Node1 根据刚才合并后保存在优先级队列中的 from+size 条数据的 id 集合，发送请求到对应的 shard 上查询 doc 数据详情；
• 第二步：各 shard 接收到查询请求后，查询到对应的数据详情并返回为 Node1；（Node1 中的优先级队列中保存了 from + size 条数据的_id，但是在 Fetch 阶段并不需要取回所有数据，只需要取回从 from 到 from + size 之间的 size 条数据详情即可，这 size 条数据可能在同一个 shard 也可能在不同的 shard，因此 Node1 使用 multi-get 来提高性能）
• 第三步：Node1 获取到对应的分页数据后，返回给 Client；

2.3 ES 示例

依据上述我们对 from + size 分页方式两阶段的分析会发现，假如起始位置 from 或者页条数 size 特别大时，对于数据查询和 coordinating node 结果合并都是巨大的性能损耗。例如：索引 wms_order_sku 有 1 亿数据，分 10 个 shard 存储，当一个请求的 from = 1000000， size = 10。在 Query 阶段，每个 shard 就需要返回 1000010 条数据的_id 和_score 信息，而 coordinating node 就需要接收 10 * 1000010 条数据，拿到这些数据后需要进行全局排序取到前 1000010 条数据的_id 集合保存到 coordinating node 的优先级队列中，后续在 Fetch 阶段再去获取那 10 条数据的详情返回给客户端。分析：这个例子的执行过程中，在 Query 阶段会在每个 shard 上均有巨大的查询量，返回给 coordinating node 时需要执行大量数据的排序操作，并且保存到优先级队列的数据量也很大，占用大量节点机器内存资源。

2.4 实现示例

private SearchHits getSearchHits(BoolQueryBuilder queryParam, int from, int size, String orderField) {
        SearchRequestBuilder searchRequestBuilder = this.prepareSearch();
        searchRequestBuilder.setQuery(queryParam).setFrom(from).setSize(size).setExplain(false);
        if (StringUtils.isNotBlank(orderField)) {
            searchRequestBuilder.addSort(orderField, SortOrder.DESC);
        }
        log.info("getSearchHits searchBuilder:{}", searchRequestBuilder.toString());
        SearchResponse searchResponse = searchRequestBuilder.execute().actionGet();
        log.info("getSearchHits searchResponse:{}", searchResponse.toString());
        return searchResponse.getHits();
    }

2.5 小结

其实 ES 对结果窗口的返回数据有默认 10000 条的限制（参数：index.max_result_window = 10000），当 from + size 的条数大于 10000 条时 ES 提示可以通过 scroll 方式进行分页，非常不建议调大结果窗口参数值。

3 Scroll 分页方式

scroll 分页方式类似关系型数据库中的 cursor（游标），首次查询时会生成并缓存快照，返回给客户端快照读取的位置参数（scroll_id），后续每次请求都会通过 scroll_id 访问快照实现快速查询需要的数据，有效降低查询和存储的性能损耗。

3.1 执行过程

scroll 分页方式在 Query 阶段同样也是 coordinating node 广播查询请求，获取、合并、排序其他 shard 返回的数据_id 集合，不同的是 scroll 分页方式会将返回数据_id 的集合生成快照保存到 coordinating node 上。Fetch 阶段以游标的方式从生成的快照中获取 size 条数据的_id，并去其他 shard 获取数据详情返回给客户端，同时将下一次游标开始的位置标识_scroll_id 也返回。这样下次客户端发送获取下一页请求时带上 scroll_id 标识，coordinating node 会从 scroll_id 标记的位置获取接下来 size 条数据，同时再次返回新的游标位置标识 scroll_id，这样依次类推直到取完所有数据。

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