Elasticsearch底层系列-Shard Allocation 机制

1. 背景

前提概要
本文主要以 5. 阅读来源 中的文章为依据, 结合 Elasticsearch 7.4.0 版本的官方文档, 对分片分配机制这一部分的理论进行整理, 望不吝赐教~

shard allocation 意思是分片分配, 是一个将分片分配到节点的过程; 可能发生该操作的过程包括:来源

• 初始恢复(initial recovery)
• 副本分配(replica allocation)
• 重新平衡(rebalance)
• 节点的新增和删除

分片的分配操作, 是由 master 角色的节点来决定什么时候移动分片, 以及移动到哪个节点上, 以达到集群的均衡;

说明

本文基于 Elasticsearch 7.4.0 版本

2. 机制分析

2.1. Allocation 触发条件

• 新增或删除 index 索引
• node 节点的新增或删除
• 执行 reroute 命令
• 修改 replica 副本数量
• 集群重启

具体对应源码解释:来源

序号	调用函数	说明
1	AllocationService.applyStartedShards	Shard 启动状态修改
2	AllocationService.applyFailedShards	Shard 失效状态修改
3	AllocationService.deassociateDeadNodes	Node 节点离开集群
4	AllocationService.reroute(AllocationCommands)	执行 relocation 命令
5	TransportClusterUpdateSettingsAction.masterOperation	集群配置修改操作
6	MetaDataCreateIndexService.onlyCreateIndex	创建新索引 index 请求
7	MetaDataDeleteIndexService.deleteIndexs	删除索引 index 操作
8	MetaDataIndexStateService.closeIndex	关闭 index 操作
9	MetaDataIndexStateService.openIndex	打开 index操作
10	NodeJoinController.JoinTaskExecutor	通过集群发现的节点加入集群
11	GatewayService.GatewayRecoveryListener	通过 GatewayRecovery 恢复的节点加入集群
12	LocalAllocateDangledIndices.submitStateUpdateTask	恢复磁盘内存而在 MateDate 内不存在的 index
13	RestoreService.restoreSnapshot	从 snapshot 中恢复的 index

2.2. Rebalance 的触发条件

在 rebalance 之前会经过 2.3.2 中介绍的所有策略里实现的 canRebalance 方法, 全部通过后才会执行下面的 Rebalance 过程;

Rebalance 过程是通过调用 balanceByWeights() 方法, 计算 shard 所在的每个 node 的 weight 值,

$weightShard = node.numShards() + numAdditionalShards - balancer.avgShardsPerNode() \\ weightIndex = node.numShards(index) + numAdditionalShards - balancer.avgShardsPerNode(index) \\ weight = theta0 * weightShard + theta1 * weightIndex \\$weightShard=node.numShards()+numAdditionalShards−balancer.avgShardsPerNode()weightIndex=node.numShards(index)+numAdditionalShards−balancer.avgShardsPerNode(index)weight=theta0∗weightShard+theta1∗weightIndex

其中:

• numAdditionalShards 一般为 0, 调用 weightShardAdded, weightShardRemoved 方法时分别取值为 1 和 -1;
• theta0 = cluster.routing.allocation.balance.shard 系统动态配置项, 默认值为 0.45f;
• theta1 = cluster.routing.allocation.balance.index 系统动态配置项, 默认值为 0.55f;

源码如下:

private static class WeightFunction {
    private final float indexBalance;
    private final float shardBalance;
    private final float theta0;
    private final float theta1;
    WeightFunction(float indexBalance, float shardBalance) {
        float sum = indexBalance + shardBalance;
        if (sum <= 0.0f) {
            throw new IllegalArgumentException("Balance factors must sum to a value > 0 but was: " + sum);
        }
        theta0 = shardBalance / sum;
        theta1 = indexBalance / sum;
        this.indexBalance = indexBalance;
        this.shardBalance = shardBalance;
    }
    float weight(Balancer balancer, ModelNode node, String index) {
        final float weightShard = node.numShards() - balancer.avgShardsPerNode();
        final float weightIndex = node.numShards(index) - balancer.avgShardsPerNode(index);
        return theta0 * weightShard + theta1 * weightIndex;
    }
}

2.3. 源码分析

分片分配就是把一个分片分配到集群中某个节点的过程, 其中分配决策包含了两个方面:

• 哪些分片应该分配到哪些节点上
• 哪个分片作为主分片, 哪个作为副本分片

Elasticsearch 主要通过两个基础组件来完成分片分配这个过程的: allocator 和 deciders;

• allocator 寻找最优的节点来分配分片;
• deciders 负责判断并决定是否要进行分配;

1. 新建的索引

​ allocator 负责找出拥有分片数量最少的节点列表, 按分片数量递增排序, 分片数量较少的会被优先选择; 对于新建索引, allocator 的目标是以更为均衡的方式把新索引的分片分配到集群的节点中;

​ deciders 依次遍历 allocator 给出的节点列表, 判断是否要把分片分配给该节点, 比如是否满足分配过滤规则, 分片是否将超出节点磁盘容量阈值等等;

2. 已有的索引

​ allocator 对于主分片, 只允许把主分片指定在已经拥有该分片完整数据的节点上; 对于副本分片, 则是先判断其他节点上是否已有该分片的数据的拷贝, 如果有这样的节点, allocator 则优先把分片分配到这其中一个节点上;

2.3.1. Allocator

• PrimaryShardAllocator 找到拥有某 Shard 最新数据(主分片)的节点;
• ReplicaShardAllocator 找到磁盘上拥有这个 Shard 数据(副本分片)的节点;
• BalancedShardsAllocator 找到拥有最少 Shard 个数的节点;

public class BalancedShardsAllocator implements ShardsAllocator {
    public static final Setting<Float> INDEX_BALANCE_FACTOR_SETTING = Setting.floatSetting("cluster.routing.allocation.balance.index", 0.55f, 0.0f, Property.Dynamic, Property.NodeScope);
    public static final Setting<Float> SHARD_BALANCE_FACTOR_SETTING = Setting.floatSetting("cluster.routing.allocation.balance.shard", 0.45f, 0.0f, Property.Dynamic, Property.NodeScope);
    public static final Setting<Float> THRESHOLD_SETTING = Setting.floatSetting("cluster.routing.allocation.balance.threshold", 1.0f, 0.0f, Property.Dynamic, Property.NodeScope);

    private volatile WeightFunction weightFunction;
    private volatile float threshold;
}

2.3.2. Deciders

Deciders 决策期基础组件的抽象类为 AllocationDecider:

public abstract class AllocationDecider {
    public Decision canRebalance(ShardRouting shardRouting, RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
    public Decision canAllocate(ShardRouting shardRouting, RoutingNode node, RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
    public Decision canRemain(ShardRouting shardRouting, RoutingNode node, RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
    public Decision canAllocate(ShardRouting shardRouting, RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
    public Decision canAllocate(IndexMetadata indexMetadata, RoutingNode node, RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
    public Decision canAllocate(RoutingNode node, RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
    public Decision shouldAutoExpandToNode(IndexMetadata indexMetadata, DiscoveryNode node, RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
    public Decision canRebalance(RoutingAllocation allocation) {
        return Decision.ALWAYS;
    }
}

ES 7.4.0 中的 Decider 决策器包括以下所示, 他们均实现上面的 AllocationDecider 抽象类, 并重写 canRebalance, canAllocate, canRemain, canForceAllocatePrimary 等方法;

决策器比较多, 大致分类如下, 并列举决策器对应的配置项:

2.3.2.1. 负载均衡类

• SameShardAllocationDecider: 避免主副分片分配到同一个节点;

• AwarenessAllocationDecider: 感知分配器, 感知服务器, 机架等, 尽量分散存储 Shard;

  对应的配置参数有:

  cluster.routing.allocation.awareness.attributes: rack_id

  cluster.routing.allocation.awareness.attributes: zone

• ShardsLimitAllocationDecider: 同一个节点上允许存在同一个 index 的 shard 数目;

  index.routing.allocation.total_shards_per_node: 表示该索引每个节点上允许最多的 shard 数量; 默认值=-1, 表示无限制;

  cluster.routing.allocation.total_shards_per_node: cluster 级别, 表示集群范围内每个节点上允许最多的 shard 数量, 默认值=-1, 表示无限制;

  index 级别会覆盖 cluster 级别;

2.3.2.2. 并发控制类

• ThrottlingAllocationDecider: recovery 阶段的限速配置, 避免过多的 recovering allocation 导致该节点的负载过高;

  cluster.routing.allocation.node_initial_primaries_recoveries: 当前节点在进行主分片恢复时的数量, 默认值=4;
  cluster.routing.allocation.node_concurrent_incoming_recoveries: 默认值=2, 通常是其他节点上的副本 shard 恢复到该节点上;
  cluster.routing.allocation.node_concurrent_outgoing_recoveries: 默认值=2, 通常是当前节点上的主分片 shard 恢复副本分片到其他节点上;
  cluster.routing.allocation.node_concurrent_recoveries: 统一配置上面两个配置项;

• ConcurrentRebalanceAllocationDecider: rebalace 并发控制, 表示集群同时允许进行 rebalance 操作的并发数量;

  cluster.routing.allocation.cluster_concurrent_rebalance, 默认值=2
  通过检查 RoutingNodes 类中维护的 reloadingShard 计数器, 看是否超过配置的并发数;

• DiskThresholdDecider: 根据节点的磁盘剩余量来决定是否分配到该节点上;

  cluster.routing.allocation.disk.threshold_enabled, 默认值=true;
  cluster.routing.allocation.disk.watermark.low: 默认值=85%, 达到这个值后, 新索引的分片不会分配到该节点上;
  cluster.routing.allocation.disk.watermark.high: 默认值=90%, 达到这个值后, 会触发已分配到该节点上的 Shard 会 rebalance 到其他节点上去;

2.3.2.3. 条件限制类

• RebalanceOnlyWhenActiveAllocationDecider: 所有 Shard 都处于 active 状态下才可以执行 rebalance 操作;

• FilterAllocationDecider: 通过接口动态设置的过滤器; cluster 级别会覆盖 index 级别;

  index.routing.allocation.require.{attribute}
index.routing.allocation.include.{attribute}
index.routing.allocation.exclude.{attribute}
cluster.routing.allocation.require.{attribute}
cluster.routing.allocation.include.{attribute}
cluster.routing.allocation.exclude.{attribute}

  • require 表示必须满足, include 表示可以分配到指定节点, exclude 表示不允许分配到指定节点;
  • {attribute} 还有 ES 内置的几个选择, _name, _ip, _host;

• ReplicaAfterPrimaryActiveAllocationDecider: 保证只在主分片分配完成后(active 状态)才开始分配副本分片;

• ClusterRebalanceAllocationDecider: 通过集群中 active 的 shard 状态来决定是否可以执行 rebalance;

  cluster.routing.allocation.allow_rebalance
indices_all_active(默认): 当集群所有的节点分配完成, 才可以执行 rebalance 操作;
  indices_primaries_active: 只要所有主分片分配完成, 才可以执行 rebalance 操作;
  always: 任何情况下都允许 rebalance 操作;

• MaxRetryAllocationDecider: 防止 shard 在失败次数达到上限后继续分配;

  index.allocation.max_retries: 设置分配的最大失败重试次数, 默认值=5;

2.3.2.4. 其他决策类

• EnableAllocationDecider: 设置允许分配的分片类型; index 级别配置会覆盖 cluster 级别配置;

  all(默认): 允许所有类型的分片;
  primaries: 仅允许主分片;
  new_primaries: 仅允许新建索引的主分片;
  none: 禁止分片分配操作;

• NodeVersionAllocationDecider: 检查分片所在 Node 的版本是否高于目标 Node 的 ES 版本;

• SnapshotInProgressAllocationDecider: 决定 snapshot 期间是否允许 allocation, 因为 snapshot 只会发生在主分片上, 所以该配置只会限制主分片的 allocation;

  cluster.routing.allocation.snapshot.relocation_enabled

接下来介绍一下在 Elasticsearch 中涉及到 Allocation 和 Rebalance 的相关配置项;

3. cluster-level 配置

3.1. Shard allocation 配置

控制分片的分配和恢复;

配置	默认值	说明
cluster.routing.allocation.enable	all	启用或禁用针对特定类型分片的分配; 1. all: 允许分配所有类型的分片; 2. primaries: 只允许分配主分片(primary shard); 3. new_primaries: 只允许分配新索引的主分片(primary shard); 4. none: 禁用分片分配; 该设置不会影响重启节点时本地主分片的恢复;
cluster.routing.allocation.node_concurrent_incoming_recoveries	2	一个节点允许并发的传入分片(incoming shard)数量
cluster.routing.allocation.node_concurrent_outgoing_recoveries	2	一个节点允许并发的传出分片(incoming shard)数量
cluster.routing.allocation.node_concurrent_recoveries		上面两者的合并配置
cluster.routing.allocation.node_initial_primaries_recoveries	4	单个节点上同时初始化的主分片数量
cluster.routing.allocation.same_shard.host	false	是否执行检查, 以防止基于host name和host address, 在单个主机上分配同一分片的多个实例; 该设置仅用于在同一台计算机上启动多个节点的情况;

3.2. Shard rebalancing 配置

控制集群之间的分片平衡;

配置	默认值	说明
cluster.routing.rebalance.enable	all	启用或禁用针对特定类型分片的rebalancing; 1. all: 允许rebalancing所有类型的分片; 2. primaries: 只允许rebalancing主分片; 3. replicas: 只允许rebalancing副本分片; 4. none: 禁用rebalancing;
cluster.routing.allocation.allow_rebalance	indices_all_active	指定何时允许执行rebalancing; 1. always: 总是允许; 2. indices_primaries_active: 当集群中所有主分片已分配时才允许rebalancing; 3. indices_all_active: 当集群中所有分片(包括主分片和副本分片)都已分配时才允许rebalancing;
cluster.routing.allocation.cluster_concurrent_rebalance	2	指定整个集群中允许同时在节点间移动的分片数量; 该配置仅控制由于集群不平衡引起的并发分片分配数量, 对分配过滤(allocation filtering)或强制感知(forced awareness)的分片分配不做限制;

3.3. 分片平衡启发式

以下配置用于决定每个分片的存放位置; 当rebalancing操作不再使任何节点的权重超过balance.threshold时, 集群即达到平衡;

配置	默认值	说明
cluster.routing.allocation.balance.shard	0.45f	定义节点上分配的分片总数的权重因子; 提升该值会导致集群中所有节点趋向于分片数量相等;
cluster.routing.allocation.balance.index	0.55f	定义节点上分配的每个索引的分片数量的权重因子; 提升该值会导致集群中所有节点上每个索引的分片数量趋向于相等;
cluster.routing.allocation.balance.threshold	1.0f	定义应当执行操作的最小优化值(非负浮点数); 提升该值会导致集群在优化分片平衡方面不太积极;

4. Index-level 配置

以下配置控制每个索引中的分片分配;

4.1. index-level 分片分配过滤(来源)

配置需要分两步:

1. 在每个 Elasticsearch 节点的 elasticsearch.yml 配置文件中添加自定义节点属性, 比如以 small, medium, big区分节点类型, 则配置文件中可添加:

node.attr.size: medium

或者在启动 Elasticsearch 服务时, 在命令行里添加 ./bin/elasticsearch -Enode.attr.size=medium;

2. 在新建索引的 mapping 时, 添加index.routing.allocation.include/exclude/require.size: medium 的过滤配置即可;

PUT <index_name>/_settings
{
  "index.routing.allocation.include.size": "medium"
}

可以配置多个自定义节点属性, 并且必须同时满足索引里配置的多个过滤条件;

• index.routing.allocation.include.{attribute}: {values}
• index.routing.allocation.require.{attribute}: {values}
• index.routing.allocation.exclude.{attribute}: {values}

其中 {attribute} 可以是上面提到的自定义节点属性, ES 自己也有一些内置的节点属性:

attribute	说明
_name	通过节点名称进行匹配
_host_ip	通过节点 IP 地址进行匹配
_publish_ip	通过节点的发布 IP 地址进行匹配
_ip	通过 _host_ip 或 _publish_ip 进行匹配
_host	通过节点的hostname进行匹配
_id	通过节点的 id 进行匹配

其中 {values} 可以是单个值, 也可以是逗号分隔的多个值, 也可以使用通配符 * 进行模糊匹配;

4.2. 设置延迟分配, 当节点离开时(来源)

当某个节点由于突发原因, 比如网络中断, 人为操作重启等, 需要暂时离开集群时, 集群会立刻新建副本分片以替换丢失的副本, 然后在剩余的所有节点之间进行rebalancing, 这样导致在短时间内该突发节点又恢复过来后, 原先的副本就无法再使用, 集群会将刚才新建的副本分片再拷贝回到该节点上; 这样就会造成不必要的资源浪费, 以及节点分片rebalancing带来的波动;

可以使用 index.unassigned.node_left.delayed_timeout 动态设置来延迟由于节点离开而导致未分配的副本分片的分配问题; 该配置默认值 1m;

PUT _all/_settings
{
  "settings": {
    "index.unassigned.node_left.delayed_timeout": "5m"
  }
}

修改成以上配置后, 如果在 5m 内, 该节点可以恢复重新加入集群, 则集群会自动恢复该节点的副本分片分配, 恢复速度很快;

注意

1. 此设置不影响将副本分片升级为主分片;
2. 此设置不影响之前未分配的副本分片;
3. 在整个集群重新启动后, 该延迟分配不会生效;

4.3. 索引恢复的优先级(来源)

索引分片恢复的优先级按照:

• 可选的 index.priority 配置, 值越大优先级越高;
• index 索引的创建日期, 越新的索引优先级越高;
• index 索引的名称;

4.4. 每个节点的分片总数(来源)

配置	默认值	说明
index.routing.allocation.total_shards_per_node	unbounded(-1)	指定单个节点上最多分配的分片数量, 包括主分片和副本分片;(具体某个索引)
cluster.routing.allocation.total_shards_per_node	unbounded(-1)	指定单个节点上最多分配的分片数量, 包括主分片和副本分片;(与索引无关, 全局设置)

这些配置是硬性配置, 可能会导致一些分片无法分配, 需要慎重配置;

5. 阅读来源

1. Shard allocation and cluster-level routing
2. Elasticsearch底层系列之 Shard Allocation 机制
3. ELASTICSEARCH ALLOCATION 分析
4. Elasticsearch Shard Allocation 机制
5. Elasticsearch Allocation&Rebalance