時序資料庫的秘密 —— 快速檢索

Elasticsearch 是透過 Lucene 的倒排索引技術實現比關係型資料庫更快的過濾。特別是它對多條件的過濾支援非常好，比如年齡在 18 和 30 之間，性別為女性這樣的組合查詢。倒排索引很多地方都有介紹，但是其比關係型資料庫的 b-tree 索引快在哪裡？到底為什麼快呢？

籠統的來說，b-tree 索引是為寫入最佳化的索引結構。當我們不需要支援快速的更新的時候，可以用預先排序等方式換取更小的儲存空間，更快的檢索速度等好處，其代價就是更新慢。要進一步深入的化，還是要看一下 Lucene 的倒排索引是怎麼構成的。

這裡有好幾個概念。我們來看一個實際的例子，假設有如下的資料：

這裡每一行是一個 document。每個 document 都有一個 docid。那麼給這些 document 建立的倒排索引就是：

年齡

性別

可以看到，倒排索引是 per field 的，一個欄位有一個自己的倒排索引。18,20 這些叫做 term，而 [1,3] 就是 posting list。Posting list 就是一個 int 的陣列，儲存了所有符合某個 term 的文件 id。那麼什麼是 term dictionary 和 term index？

假設我們有很多個 term，比如：

Carla,Sara,Elin,Ada,Patty,Kate,Selena

如果按照這樣的順序排列，找出某個特定的 term 一定很慢，因為 term 沒有排序，需要全部過濾一遍才能找出特定的 term。排序之後就變成了：

Ada,Carla,Elin,Kate,Patty,Sara,Selena

這樣我們可以用二分查詢的方式，比全遍歷更快地找出目標的 term。這個就是 term dictionary。有了 term dictionary 之後，可以用 logN 次磁碟查詢得到目標。但是磁碟的隨機讀操作仍然是非常昂貴的（一次 random access 大概需要 10ms 的時間）。所以儘量少的讀磁碟，有必要把一些資料快取到記憶體裡。但是整個 term dictionary 本身又太大了，無法完整地放到記憶體裡。於是就有了 term index。term index 有點像一本字典的大的章節表。比如：

A 開頭的 term ……………. Xxx 頁

C 開頭的 term ……………. Xxx 頁

E 開頭的 term ……………. Xxx 頁

如果所有的 term 都是英文字元的話，可能這個 term index 就真的是 26 個英文字元表構成的了。但是實際的情況是，term 未必都是英文字元，term 可以是任意的 byte 陣列。而且 26 個英文字元也未必是每一個字元都有均等的 term，比如 x 字元開頭的 term 可能一個都沒有，而 s 開頭的 term 又特別多。實際的 term index 是一棵 trie 樹：

例子是一個包含 "A", "to", "tea", "ted", "ten", "i", "in", 和 "inn" 的 trie 樹。這棵樹不會包含所有的 term，它包含的是 term 的一些字首。透過 term index 可以快速地定位到 term dictionary 的某個 offset，然後從這個位置再往後順序查詢。再加上一些壓縮技術（搜尋 Lucene Finite State Transducers） term index 的尺寸可以只有所有 term 的尺寸的幾十分之一，使得用記憶體快取整個 term index 變成可能。整體上來說就是這樣的效果。

現在我們可以回答“為什麼 Elasticsearch/Lucene 檢索可以比 mysql 快了。Mysql 只有 term dictionary 這一層，是以 b-tree 排序的方式儲存在磁碟上的。檢索一個 term 需要若干次的 random access 的磁碟操作。而 Lucene 在 term dictionary 的基礎上新增了 term index 來加速檢索，term index 以樹的形式快取在記憶體中。從 term index 查到對應的 term dictionary 的 block 位置之後，再去磁碟上找 term，大大減少了磁碟的 random access 次數。

額外值得一提的兩點是：term index 在記憶體中是以 FST（finite state transducers）的形式儲存的，其特點是非常節省記憶體。Term dictionary 在磁碟上是以分 block 的方式儲存的，一個 block 內部利用公共字首壓縮，比如都是 Ab 開頭的單詞就可以把 Ab 省去。這樣 term dictionary 可以比 b-tree 更節約磁碟空間。

如何聯合索引查詢？

所以給定查詢過濾條件 age=18 的過程就是先從 term index 找到 18 在 term dictionary 的大概位置，然後再從 term dictionary 裡精確地找到 18 這個 term，然後得到一個 posting list 或者一個指向 posting list 位置的指標。然後再查詢 gender= 女 的過程也是類似的。最後得出 age=18 AND gender= 女 就是把兩個 posting list 做一個“與”的合併。

這個理論上的“與”合併的操作可不容易。對於 mysql 來說，如果你給 age 和 gender 兩個欄位都建立了索引，查詢的時候只會選擇其中最 selective 的來用，然後另外一個條件是在遍歷行的過程中在記憶體中計算之後過濾掉。那麼要如何才能聯合使用兩個索引呢？有兩種辦法：

• 使用 skip list 資料結構。同時遍歷 gender 和 age 的 posting list，互相 skip；

• 使用 bitset 資料結構，對 gender 和 age 兩個 filter 分別求出 bitset，對兩個 bitset 做 AN 操作。

PostgreSQL 從 8.4 版本開始支援透過 bitmap 聯合使用兩個索引，就是利用了 bitset 資料結構來做到的。當然一些商業的關係型資料庫也支援類似的聯合索引的功能。Elasticsearch 支援以上兩種的聯合索引方式，如果查詢的 filter 快取到了記憶體中（以 bitset 的形式），那麼合併就是兩個 bitset 的 AND。如果查詢的 filter 沒有快取，那麼就用 skip list 的方式去遍歷兩個 on disk 的 posting list。

利用 Skip List 合併

以上是三個 posting list。我們現在需要把它們用 AND 的關係合併，得出 posting list 的交集。首先選擇最短的 posting list，然後從小到大遍歷。遍歷的過程可以跳過一些元素，比如我們遍歷到綠色的 13 的時候，就可以跳過藍色的 3 了，因為 3 比 13 要小。

整個過程如下

Next -> 2
Advance(2) -> 13
Advance(13) -> 13
Already on 13
Advance(13) -> 13 MATCH!!!
Next -> 17
Advance(17) -> 22
Advance(22) -> 98
Advance(98) -> 98
Advance(98) -> 98 MATCH!!!

最後得出的交集是 [13,98]，所需的時間比完整遍歷三個 posting list 要快得多。但是前提是每個 list 需要指出 Advance 這個操作，快速移動指向的位置。什麼樣的 list 可以這樣 Advance 往前做蛙跳？skip list：

從概念上來說，對於一個很長的 posting list，比如：

[1,3,13,101,105,108,255,256,257]

我們可以把這個 list 分成三個 block：

[1,3,13] [101,105,108] [255,256,257]

然後可以構建出 skip list 的第二層：

[1,101,255]

1,101,255 分別指向自己對應的 block。這樣就可以很快地跨 block 的移動指向位置了。

Lucene 自然會對這個 block 再次進行壓縮。其壓縮方式叫做 Frame Of Reference 編碼。

示例如下：考慮到頻繁出現的 term（所謂 low cardinality 的值），比如 gender 裡的男或者女。如果有 1 百萬個文件，那麼性別為男的 posting list 裡就會有 50 萬個 int 值。用 Frame of Reference 編碼進行壓縮可以極大減少磁碟佔用。這個最佳化對於減少索引尺寸有非常重要的意義。當然 mysql b-tree 裡也有一個類似的 posting list 的東西，是未經過這樣壓縮的。

因為這個 Frame of Reference 的編碼是有解壓縮成本的。利用 skip list，除了跳過了遍歷的成本，也跳過了解壓縮這些壓縮過的 block 的過程，從而節省了 cpu。

利用 bitset 合併

Bitset 是一種很直觀的資料結構，對應 posting list 如：

[1,3,4,7,10]

對應的 bitset 就是：

[1,0,1,1,0,0,1,0,0,1]

每個文件按照文件 id 排序對應其中的一個 bit。Bitset 自身就有壓縮的特點，其用一個 byte 就可以代表 8 個文件。所以 100 萬個文件只需要 12.5 萬個 byte。但是考慮到文件可能有數十億之多，在記憶體裡儲存 bitset 仍然是很奢侈的事情。而且對於個每一個 filter 都要消耗一個 bitset，比如 age=18 快取起來的話是一個 bitset，18<=age<25 是另外一個 filter 快取起來也要一個 bitset。

所以秘訣就在於需要有一個資料結構：

• 可以很壓縮地儲存上億個 bit 代表對應的文件是否匹配 filter；

• 這個壓縮的 bitset 仍然可以很快地進行 AND 和 OR 的邏輯操作。

Lucene 使用的這個資料結構叫做 Roaring Bitmap。

其壓縮的思路其實很簡單。與其儲存 100 個 0，佔用 100 個 bit。還不如儲存 0 一次，然後宣告這個 0 重複了 100 遍。

這兩種合併使用索引的方式都有其用途。Elasticsearch 對其效能有詳細的對比（ https://www.elastic.co/blog/frame-of-reference-and-roaring-bitmaps ）。簡單的結論是：因為 Frame of Reference 編碼是如此 高效，對於簡單的相等條件的過濾快取成純記憶體的 bitset 還不如需要訪問磁碟的 skip list 的方式要快。

如何減少文件數？

一種常見的壓縮儲存時間序列的方式是把多個資料點合併成一行。Opentsdb 支援海量資料的一個絕招就是定期把很多行資料合併成一行，這個過程叫 compaction。類似的 vivdcortext 使用 mysql 儲存的時候，也把一分鐘的很多資料點合併儲存到 mysql 的一行裡以減少行數。

這個過程可以示例如下：

合併之後就變成了：

可以看到，行變成了列了。每一列可以代表這一分鐘內一秒的資料。

Elasticsearch 有一個功能可以實現類似的最佳化效果，那就是 Nested Document。我們可以把一段時間的很多個資料點打包儲存到一個父文件裡，變成其巢狀的子文件。示例如下：

{timestamp:12:05:01, idc:sz, value1:10,value2:11}
{timestamp:12:05:02, idc:sz, value1:9,value2:9}
{timestamp:12:05:02, idc:sz, value1:18,value:17}

可以打包成：

{
   max_timestamp:12:05:02, min_timestamp: 1205:01, idc:sz,
   records: [
		{timestamp:12:05:01, value1:10,value2:11}
                {timestamp:12:05:02, value1:9,value2:9}
                {timestamp:12:05:02, value1:18,value:17}
   ]
}

這樣可以把資料點公共的維度欄位上移到父文件裡，而不用在每個子文件裡重複儲存，從而減少索引的尺寸。

在儲存的時候，無論父文件還是子文件，對於 Lucene 來說都是文件，都會有文件 Id。但是對於巢狀文件來說，可以儲存起子文件和父文件的文件 id 是連續的，而且父文件總是最後一個。有這樣一個排序性作為保障，那麼有一個所有父文件的 posting list 就可以跟蹤所有的父子關係。也可以很容易地在父子文件 id 之間做轉換。把父子關係也理解為一個 filter，那麼查詢時檢索的時候不過是又 AND 了另外一個 filter 而已。前面我們已經看到了 Elasticsearch 可以非常高效地處理多 filter 的情況，充分利用底層的索引。

使用了巢狀文件之後，對於 term 的 posting list 只需要儲存父文件的 doc id 就可以了，可以比儲存所有的資料點的 doc id 要少很多。如果我們可以在一個父文件裡塞入 50 個巢狀文件，那麼 posting list 可以變成之前的 1/50。