面试题：ElasticSearch读写原理之副本机制对读操作的影响

Question

在ElasticSearch中，副本机制用于提高数据可用性和读性能。请分析不同副本数量设置下，读操作的性能变化以及原理，同时说明如何根据业务场景合理设置副本数量。

Answer 1

不同副本数量设置下读操作性能变化及原理

1. 副本数量少（如1个副本）
   • 性能变化：读性能相对有限。在节点故障时，可能导致部分数据不可读，影响读操作的可用性。但在正常情况下，由于副本数据量少，数据同步开销相对较小，系统整体负载较低。
   • 原理：仅有1个副本，数据冗余度低。读操作时，主要从主分片读取数据，只有在主分片不可用时才会从副本读取。因为副本数量少，可分担读请求的资源有限，一旦主分片负载过高，读性能提升不明显。
2. 副本数量适中（如2 - 3个副本）
   • 性能变化：读性能有显著提升。多个副本可以分担读请求，当主分片负载较高时，读请求可被均衡到副本分片上，从而提高整体读吞吐量。同时，由于副本数量增加，在部分节点故障时，仍能保证较高的数据可用性，读操作受影响较小。
   • 原理：ElasticSearch的读请求会在主分片和副本分片之间负载均衡。多个副本提供了更多的数据读取源，使得读请求能够更高效地被处理。例如，在高并发读场景下，不同的读请求可以并行地从不同的副本分片获取数据，减少等待时间，提升性能。
3. 副本数量多（如4个及以上）
   • 性能变化：在一定程度上，读性能进一步提升，但提升幅度逐渐减小。同时，过多的副本会增加系统资源开销，如磁盘空间、网络带宽和CPU等，可能导致整体系统性能下降。
   • 原理：更多的副本虽然提供了更多的读数据源，但随着副本数量的增加，数据同步和一致性维护的成本也大幅上升。例如，每次数据更新都需要同步到多个副本，这会占用大量的网络带宽和CPU资源。此外，过多的副本分片可能会使ElasticSearch的路由和管理复杂度增加，影响读操作的效率。

根据业务场景合理设置副本数量

1. 高可用性要求为主
   • 场景：如金融交易记录、医疗数据等关键业务数据场景，数据的可用性至关重要，不允许数据丢失或长时间不可读。
   • 设置：应设置较多的副本数量，如3 - 5个副本。这样即使多个节点发生故障，仍能保证数据的可用性，确保读操作不受影响。但需注意监控系统资源，避免因副本过多导致系统性能严重下降。
2. 读性能要求为主
   • 场景：如新闻资讯、商品展示等以读操作为主的业务场景，用户需要快速获取数据。
   • 设置：可根据预估的读请求并发量设置副本数量，一般2 - 4个副本较为合适。通过副本分担读请求，提高读吞吐量。同时，结合缓存等技术进一步优化读性能。例如，在商品展示场景中，将热门商品数据缓存起来，减少对ElasticSearch的读请求压力，在此基础上合理设置副本数量提升读性能。
3. 资源受限场景
   • 场景：如小型企业或创业公司，硬件资源有限，无法承担过多副本带来的资源开销。
   • 设置：应适当减少副本数量，如1 - 2个副本。在保证一定数据可用性和读性能的前提下，降低系统资源消耗。可以通过优化索引结构、查询语句等方式进一步提升读性能，弥补因副本数量少带来的性能不足。