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# 特别加餐 | 高性能检索系统中的设计漫谈
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你好，我是陈东。欢迎来到检索专栏的第三次加餐时间。
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在进阶篇的讲解过程中，我们经常会提起一些设计思想，包括索引与数据分离、减少磁盘IO、读写分离和分层处理等方案。这些设计思想看似很简单，但是应用非常广泛，在许多复杂的高性能系统中，我们都能看到类似的设计和实现。不过，前面我们并没有深入来讲，你可能理解得还不是很透彻。
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所以，今天我会把专栏中出现过的相关案例进行汇总和对比，再结合相应的案例扩展，以及进一步的分析讨论，来帮助你更好地理解这些设计思想的本质。并且，我还会总结出一些可以参考的通用经验，让你能更好地设计和实现自己的高性能检索系统。
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## 设计思想一：索引与数据分离
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我要说的第一个设计思想就是索引与数据分离。索引与数据分离是一种解耦的设计思想，它能帮助我们更好地聚焦在索引的优化上。
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比如说，对于无法完全加载到内存中的数据，对它进行索引和数据分离之后，我们就可以利用内存的高性能来加速索引的访问了。[第6讲](https://time.geekbang.org/column/article/222768)中的线性索引的设计，以及B+树中区分中间节点和叶子节点的设计，就都使用了索引和数据分离的设计思想。
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那如果索引和数据都可以加载在内存中了，我们还需要使用索引和数据分离吗？在这种情况下，将索引和数据分离，我们依然可以提高检索效率。以[第5讲](https://time.geekbang.org/column/article/219268)中查找唐诗的场景为例，我们将所有的唐诗存在一个正排索引中，然后以关键词为Key建立倒排索引。倒排索引中只会记录唐诗的ID，不会记录每首唐诗的内容。这样做会有以下3个优点。
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1. 节约存储空间，我们不需要在posting list中重复记录唐诗的内容。
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2. 减少检索过程中的复制代价。在倒排索引的检索过程中，我们需要将posting list中的元素进行多次比较和复制等操作。如果每个元素都存了复杂的数据，而不是简单的ID，那复制代价我们也不能忽略。
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3. 保持索引的简单有效，让我们可以使用更多的优化手段加速检索过程。在[加餐1](https://time.geekbang.org/column/article/221292)中我们讲过，如果posting list中都存着简单ID的话，我们可以将posting list转为位图来存储和检索，以及还可以使用Roaring Bitmap来提高检索效率。
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总结来说就是，索引与数据分离的设计理念可以让索引保持简洁和高效，来帮助我们聚焦在索引的优化技术上。因此，保持索引的简洁高效是我们需要重点关注的。
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当然，我相信你刚开始设计一个新系统的时候，可以很容易做到这一点。但也正因为它非常基础，恰恰就成了我们工作中最容易忽视的地方。
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而一旦我们忽视了，那随着系统的变化，索引中掺杂的数据越来越多、越来越复杂，系统的检索性能就会慢慢下降。这时，我们需要牢记**奥卡姆剃刀原理，也就是“如无必要，勿增实体”这个基础原则**，来保证索引一直处于简洁高效的状态。
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当然，索引和数据分离也会带来一些弊端，如不一致性。怎么理解呢？我们可以考虑这么一个场景：数据已经修改或是删除了，但索引还没来得及更新。如果这个时候我们访问索引，那得到的结果就很有可能是错误的。
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那这个错误的结果会造成什么影响呢？这就要分情况讨论了。
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对于不要求强一致性的应用场景，比如说在某些应用中更新用户头像时，我们可以接受这种临时性错误，只要能保证系统的最终一致性即可。但如果在要求强一致性的应用场景中，比如说在金融系统中进行和金钱有关的操作时，我们就需要做好一致性管理，我们可以对索引和数据进行统一加锁处理，或者直接将索引和数据合并。这么说比较抽象，我们以MySQL中的B+树为例，来看看它是怎么管理一致性的。
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MySQL中的B+树实现其实有两种，一种是MyISAM引擎，另一种是InnoDB引擎。它们的核心区别就在于，数据和索引是否是分离的。
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在MyISAM引擎中，B+树的叶子节点仅存储了数据的位置指针，这是一种索引和数据分离的设计方案，叫作非聚集索引。如果要保证MyISAM的数据一致性，那我们需要在表级别上进行加锁处理。
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在InnoDB中，B+树的叶子节点直接存储了具体数据，这是一种索引和数据一体的方案。叫作聚集索引。由于数据直接就存在索引的叶子节点中，因此InnoDB不需要给全表加锁来保证一致性，它只需要支持行级的锁就可以了。
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所以你看，索引和数据分离也不是万能的“银弹”，我们需要结合具体的使用场景，来进行合适的设计。
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## 设计思想二：减少磁盘IO
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第6讲我们说过，在大规模系统中，数据往往无法全部存储在内存中。因此，系统必然会涉及磁盘的读写操作。在这种应用场景下，**尽可能减少磁盘IO，往往是保证系统具有高性能的核心设计思路**。
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减少磁盘IO的一种常见设计，**是将频繁读取的数据加载到内存中**。前面讲到的索引和数据分离的方案，就使得我们可以优先将索引加载在内存中，从而提高系统检索效率。
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当频繁读取的数据也就是索引太大，而无法装入内存的时候，我们不会简单地使用跳表或者哈希表加载索引，而会采用更复杂的，具有压缩性质的前缀树这类数据结构和算法来压缩索引，让它能够放入内存中。
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尽管，单纯从数据结构和检索效率来看，前缀树的检索性能是低于跳表或者哈希表的，但如果我们考虑到内存和磁盘在性能上的巨大差异的话，那这种压缩索引的优势就体现出来了。最典型的例子就是lucene中用FST（Finite State Transducer，中文：有限状态转换器）来存索引字典。
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除了使用索引和数据分离，在高维空间中使用[乘积量化](https://time.geekbang.org/column/article/231760)对数据进行压缩和检索，以及使用[分布式技术](https://time.geekbang.org/column/article/225869)将索引分片加载到不同的机器的内存中，也都可以减少磁盘的IO操作。
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而**如果不可避免要对磁盘进行读写，那我们要尽量避免随机读写**。我们可以使用[第7讲](https://time.geekbang.org/column/article/222768)中学习到的，使用预写日志技术以及利用磁盘的局部性原理，来顺序写大批量数据，从而提高磁盘访问效率。这些都是一些优秀的开源软件使用的设计方案，比如，我们熟悉的基于LSM树的Hbase和Kafka，就都采用了类似的设计。
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你也许会问，如果改用SSD来存储数据（ SSD具有高性能的随机读写能力），那我们是不是就不用再关注减少磁盘IO的设计思想和技术了？当然不是，关于这个问题，我们可以从两方面来分析。
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一方面，虽然SSD的确比磁盘快了许多，但SSD的性能和内存相比，依然会有1到2个数量级的巨大差距。甚至不同型号的SSD之间，性能也可能会有成倍的差距。再有，俗话说“一分钱一分货”，内存和SSD的价格差异，其实也反映了它们随机读写性能的差距。因此内存是最快的，我们依然要尽可能把数据都存放在内存中。
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另一方面，SSD的批量顺序写依然比随机写有更高的效率。为什么呢？让我们先来了解一下SSD的工作原理。对于SSD而言，它以页（Page，一个Page为4K-16K）为读写单位，以块（Block，256个Page为一个Block）为垃圾回收单位。由于SSD不支持原地更新的方式修改一个页，因此当我们写数据到页中时，SSD需要将原有的页标记为失效，并将原来该页的数据和新写入的数据一起，写入到一个新的页中。那被标记为无效的页，会被垃圾回收机制处理，而垃圾回收又是一个很慢的操作过程。因此，随机写会造成大量的垃圾块，从而导致系统性能下降。所以，对于SSD而言，批量顺序写的性能依然会大幅高于随机写。
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总结来说，无论存储介质技术如何变化，将索引数据尽可能地全部存储在最快的介质中，始终是保证高性能检索的一个重要设计思路。此外，对于每种介质的读写性能，我们都需要进行了解，这样才能做出合理的高性能设计。
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## 设计思想三：读写分离
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接下来，我们再说说读写分离，它也是很常见的一种设计方案。在高并发的场景下，如果系统需要对同一份数据同时进行读和写的操作，为了保证线程安全以及数据一致性，我们往往需要对数据操作加锁，但这会导致系统的性能降低。
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而读写分离的设计方案，可以让所有的读操作只读一份数据，让所有的写操作作用在另一份数据上。这样就不存在读写竞争的场景，系统也就不需要加锁和切换了。在读操作频率高于写操作的应用场景中，使用读写分离的设计思想，可以大幅度提升系统的性能。很多我们熟悉的架构都采用这样的设计。
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比如说，MySQL的Master - Slave架构。在MySQL的Master - Slave的架构设计中，master负责接收写请求。在数据写入master以后，master会和多个slave进行同步，将数据更新到所有的slave中。所有的slave仅负责处理读请求。这样，MySQL就可以完成读写分离了。
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其实不仅仅是MySQL，Redis中也存在类似的Master - Slave的读写分离设计。包括在LevelDB中，MemTable - Immutable MemTable 的设计，其实也是读写分离的一个具体案例。
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除了MySQL和Redis这类的数据存储系统，在倒排索引类的检索系统中，其实也有着类似的设计思路。比如说，在[第9讲](https://time.geekbang.org/column/article/222807)中我们讲过，对于索引更新这样的功能，我们往往会使用Double Buffer机制，以及全量索引+增量索引的机制来实现读写分离。通过这样的机制，我们才能保证搜索引擎、广告引擎、推荐引擎等系统能在高并发的应用场景下，依然具备实时的索引更新能力。
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## 设计思想四：分层处理
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在大规模检索系统中，不同数据的价值是不一样的，如果我们都使用同样的处理技术，其实会造成系统资源的浪费。因此，将数据分层处理也是非常基础且重要的一种设计。
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最典型的例子就是在[第12讲](https://time.geekbang.org/column/article/227161)中，我们提到的非精准Top K检索 + 精准 Top K检索的设计思路了。简单回顾一下，如果我们对所有的检索结果集都进行耗时复杂的精准打分，那会带来大量的资源浪费。所以，我们会先进行初步筛选，快速选出可能比较好的结果，再进行精准筛选。这样的分层打分机制，其实非常像我们在招聘过程中，先进行简历筛选，再进行面试的处理流程。可见，这种设计思路有着非常广泛的使用场景。
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包括我们前面提到的将索引放在内存中而不是磁盘上，这其实也是一种分层处理的思路。我们对索引进行分层，把最有价值的索引放在内存中，保证检索效率。而价值较低的大规模索引，则可以存在磁盘中。
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如果你再仔细回想一下就会发现，这其实和第7讲中，LSM树将它认为最有价值的近期数据放在内存中，然后将其他数据放在磁盘上的思路是非常相似的。甚至是硬件设计也是这样，CPU中的一级缓存和二级缓存，也是基于同样的分层设计理念，将最有价值的数据，存在离CPU最近，也最贵的介质中。
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此外，还有一个典型的分层处理的设计实例就是，为了保证系统的稳定性，我们往往需要在系统负载过高时，启用自动降级机制。而好的自动降级机制，其实也是对流量进行分层处理，将系统认为有价值的流量保留，然后抛弃低价值的流量。
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总结来说，如果我们在应用场景中，对少数的数据进行处理，能带来大量的产出，那分层处理就是一种可行的设计思路。这其实就是**二八原则：20%的资源带来了80%的产出**。
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## 重点回顾
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今天，我们讨论了索引和数据分离、减少磁盘IO、读写分离、以及分层处理这四种设计思想。你会发现，这些设计思想说起来并不复杂，但几乎无处不在。为了方便你使用，我总结了一下，它们在使用上的一些通用经验。
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首先，索引和数据分离能让我们遵循“奥卡姆剃刀原则”，聚焦于索引的优化技术上。但我们还要注意，索引和数据分离可能会带来数据的不一致性，因此需要合理使用。
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其次，减少磁盘IO有两种主要思路：一种是尽可能将索引加载到最快的内存中；另一种是对磁盘进行批量顺序读写。并且，即便存储介质技术在不断变化，但我们只要保持关注这两个优化方向，就可以设计出高性能的系统。
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接着，在读写分离的设计中，使用Master - Slave的架构设计也是一种常见方案，无论是MySQL还是Redis都采用了这种设计方案。而基于倒排索引的检索系统，也有着类似的Double Buffer和全量索引结合增量索引的机制。
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最后，分层处理其实就是遵循二八原则，将核心资源用来处理核心的数据，从而提升整体系统的性能。
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当你要设计或实现高并发系统时，你可以试试使用这些思想来指导你设计和审视系统，相信这会让你的系统变得更加高效。
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## 课堂讨论
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对于今天我们讨论的这些设计思想，你有什么案例可以分享出来吗？
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欢迎在留言区畅所欲言，说出你的案例和思考。如果有收获，也欢迎把这一讲分享给你的朋友。
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