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Elasticsearch 聚合

聚合将数据汇总为指标、统计数据或其他分析。

Elasticsearch 将聚合分为三类：

类型	说明
Metric（指标聚合）	根据字段值进行统计计算
Bucket（桶聚合）	根据字段值、范围或其他条件进行分组
Pipeline（管道聚合）	根据其他聚合结果进行聚合

聚合的用法

所有的聚合，无论它们是什么类型，都遵从以下的规则。

通过 JSON 来定义聚合计算，使用 aggregations 或 aggs 来标记聚合计算。需要给每个聚合起一个名字，指定它的类型以及和该类型相关的选项。
它们运行在查询的结果之上。和查询不匹配的文档不会计算在内，除非你使用 global 聚集将不匹配的文档囊括其中。
可以进一步过滤查询的结果，而不影响聚集。

以下是聚合的基本结构：

"aggregations" : { <!-- 最外层的聚合键，也可以缩写为 aggs -->
    "<aggregation_name>" : { <!-- 聚合的自定义名字 -->
        "<aggregation_type>" : { <!-- 聚合的类型，指标相关的，如 max、min、avg、sum，桶相关的 terms、filter 等 -->
            <aggregation_body> <!-- 聚合体：对哪些字段进行聚合，可以取字段的值，也可以是脚本计算的结果 -->
        }
        [,"meta" : {  [<meta_data_body>] } ]? <!-- 元 -->
        [,"aggregations" : { [<sub_aggregation>]+ } ]? <!-- 在聚合里面在定义子聚合 -->
    }
    [,"<aggregation_name_2>" : { ... } ]* <!-- 聚合的自定义名字 2 -->
}

在最上层有一个 aggregations 的键，可以缩写为 aggs。
在下面一层，需要为聚合指定一个名字。可以在请求的返回中看到这个名字。在同一个请求中使用多个聚合时，这一点非常有用，它让你可以很容易地理解每组结果的含义。
最后，必须要指定聚合的类型。

关于聚合分析的值来源，可以取字段的值，也可以是脚本计算的结果。

但是用脚本计算的结果时，需要注意脚本的性能和安全性；尽管多数聚集类型允许使用脚本，但是脚本使得聚集变得缓慢，因为脚本必须在每篇文档上运行。为了避免脚本的运行，可以在索引阶段进行计算。

此外，脚本也可以被人可能利用进行恶意代码攻击，尽量使用沙盒（sandbox）内的脚本语言。

::: details 【示例】根据 my-field 字段进行 terms 聚合计算

GET /my-index-000001/_search
{
  "aggs": {
    "my-agg-name": {
      "terms": {
        "field": "my-field"
      }
    }
  }
}

响应结果：

{
  "took": 78,
  "timed_out": false,
  "_shards": {
    "total": 1,
    "successful": 1,
    "skipped": 0,
    "failed": 0
  },
  "hits": {
    "total": {
      "value": 5,
      "relation": "eq"
    },
    "max_score": 1.0,
    "hits": [...]
  },
  "aggregations": {
    "my-agg-name": { // my-agg-name 聚合计算的结果
      "doc_count_error_upper_bound": 0,
      "sum_other_doc_count": 0,
      "buckets": []
    }
  }
}

:::

::: details 用于测试的数据

为 /employees 索引添加测试数据：

DELETE /employees
PUT /employees/
{
  "mappings" : {
      "properties" : {
        "age" : {
          "type" : "integer"
        },
        "gender" : {
          "type" : "keyword"
        },
        "job" : {
          "type" : "text",
          "fields" : {
            "keyword" : {
              "type" : "keyword",
              "ignore_above" : 50
            }
          }
        },
        "name" : {
          "type" : "keyword"
        },
        "salary" : {
          "type" : "integer"
        }
      }
    }
}

PUT /employees/_bulk
{"index":{"_id":"1"}}
{"name":"Emma","age":32,"job":"Product Manager","gender":"female","salary":35000}
{"index":{"_id":"2"}}
{"name":"Underwood","age":41,"job":"Dev Manager","gender":"male","salary":50000}
{"index":{"_id":"3"}}
{"name":"Tran","age":25,"job":"Web Designer","gender":"male","salary":18000}
{"index":{"_id":"4"}}
{"name":"Rivera","age":26,"job":"Web Designer","gender":"female","salary":22000}
{"index":{"_id":"5"}}
{"name":"Rose","age":25,"job":"QA","gender":"female","salary":18000}
{"index":{"_id":"6"}}
{"name":"Lucy","age":31,"job":"QA","gender":"female","salary":25000}
{"index":{"_id":"7"}}
{"name":"Byrd","age":27,"job":"QA","gender":"male","salary":20000}
{"index":{"_id":"8"}}
{"name":"Foster","age":27,"job":"Java Programmer","gender":"male","salary":20000}
{"index":{"_id":"9"}}
{"name":"Gregory","age":32,"job":"Java Programmer","gender":"male","salary":22000}
{"index":{"_id":"10"}}
{"name":"Bryant","age":20,"job":"Java Programmer","gender":"male","salary":9000}
{"index":{"_id":"11"}}
{"name":"Jenny","age":36,"job":"Java Programmer","gender":"female","salary":38000}
{"index":{"_id":"12"}}
{"name":"Mcdonald","age":31,"job":"Java Programmer","gender":"male","salary":32000}
{"index":{"_id":"13"}}
{"name":"Jonthna","age":30,"job":"Java Programmer","gender":"female","salary":30000}
{"index":{"_id":"14"}}
{"name":"Marshall","age":32,"job":"Javascript Programmer","gender":"male","salary":25000}
{"index":{"_id":"15"}}
{"name":"King","age":33,"job":"Java Programmer","gender":"male","salary":28000}
{"index":{"_id":"16"}}
{"name":"Mccarthy","age":21,"job":"Javascript Programmer","gender":"male","salary":16000}
{"index":{"_id":"17"}}
{"name":"Goodwin","age":25,"job":"Javascript Programmer","gender":"male","salary":16000}
{"index":{"_id":"18"}}
{"name":"Catherine","age":29,"job":"Javascript Programmer","gender":"female","salary":20000}
{"index":{"_id":"19"}}
{"name":"Boone","age":30,"job":"DBA","gender":"male","salary":30000}
{"index":{"_id":"20"}}
{"name":"Kathy","age":29,"job":"DBA","gender":"female","salary":20000}

:::

限定数据范围

ES 聚合分析的默认作用范围是 query 的查询结果集。

同时 ES 还支持以下方式改变聚合的作用范围：

filter - 只对当前子聚合语句生效
post_filter - 对聚合分析后的文档进行再次过滤
global - 无视 query，对全部文档进行统计

::: details 【示例】使用 query 限定聚合数据的范围

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "query": {
    "range": {
      "age": {
        "gte": 20
      }
    }
  },
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field":"job.keyword"

      }
    }
  }
}

:::

::: details 【示例】使用 filter 限定聚合数据的范围

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "older_person": {
      "filter":{
        "range":{
          "age":{
            "from":35
          }
        }
      },
      "aggs":{
         "jobs":{
           "terms": {
        "field":"job.keyword"
      }
    }},
    "all_jobs": {
      "terms": {
        "field":"job.keyword"

      }
    }
  }
}

:::

控制返回聚合结果

::: details 【示例】仅返回聚合结果

使用 field 限定聚合返回的展示字段：

POST /employees/_search
{
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword"
      }
    }
  }
}

// 找出所有的 job 类型，还能找到聚合后符合条件的结果
POST /employees/_search
{
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword"
      }
    }
  },
  "post_filter": {
    "match": {
      "job.keyword": "Dev Manager"
    }
  }
}

默认情况下，包含聚合的搜索会同时返回搜索命中和聚合结果。要仅返回聚合结果，请将 size 设置为 0：

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword"
      }
    }
  }
}

:::

聚合结果排序

::: details 【示例】聚合结果排序

指定 order，按照 _count 和 _key 进行排序。

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "query": {
    "range": {
      "age": {
        "gte": 20
      }
    }
  },
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "order": [
          {
            "_count": "asc"
          },
          {
            "_key": "desc"
          }
        ]
      }
    }
  }
}

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "order": [
          {
            "avg_salary": "desc"
          }
        ]
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    }
  }
}

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "order": [
          {
            "stats_salary.min": "desc"
          }
        ]
      },
      "aggs": {
        "stats_salary": {
          "stats": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    }
  }
}

:::

运行多个聚合

::: details 【示例】运行多个聚合

可以在同一请求中指定多个聚合：

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "query": {
    "range": {
      "age": {
        "gte": 40
      }
    }
  },
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field":"job.keyword"

      }
    },

    "all":{
      "global":{},
      "aggs":{
        "salary_avg":{
          "avg":{
            "field":"salary"
          }
        }
      }
    }
  }
}

:::

运行子聚合

::: details 【示例】运行子聚合

Bucket 聚合支持 Bucket 或 Metric 子聚合。例如，具有 avg 子聚合的 terms 聚合会计算每个桶中文档的平均值。嵌套子聚合没有级别或深度限制。

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "size": 10
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    },
    "min_salary_by_job":{
      "min_bucket": {
        "buckets_path": "jobs>avg_salary"
      }
    }
  }
}

响应将子聚合结果嵌套在其父聚合下：

{
  // ...
  "aggregations": {
    "jobs": {
      "doc_count_error_upper_bound": 0,
      "sum_other_doc_count": 6,
      "buckets": [
        {
          "key": "Java Programmer",
          "doc_count": 7,
          "avg_salary": {
            "value": 25571.428571428572
          }
        },
        {
          "key": "Javascript Programmer",
          "doc_count": 4,
          "avg_salary": {
            "value": 19250.0
          }
        },
        {
          "key": "QA",
          "doc_count": 3,
          "avg_salary": {
            "value": 21000.0
          }
        }
      ]
    },
    "min_salary_by_job": {
      "value": 19250.0,
      "keys": ["Javascript Programmer"]
    }
  }
}

:::

Metric（指标聚合）

指标聚合主要从不同文档的分组中提取统计数据，或者，从来自其他聚合的文档桶来提取统计数据。

这些统计数据通常来自数值型字段，如最小或者平均价格。用户可以单独获取每项统计数据，或者也可以使用 stats 聚合来同时获取它们。更高级的统计数据，如平方和或者是标准差，可以通过 extended stats 聚合来获取。

ES 支持的指标聚合类型：

类型	说明
avg	平均值聚合
boxplot	箱线图聚合
cardinality	近似计算非重复值
extended_stats	扩展统计聚合
geo_bounds	地理边界聚合
geo_centroid	根据* geo *字段的所有坐标值计算加权质心
geo_line_geo_line	根据地理数据生成可用于线性几何图形展示的数据
cartesian_bounds	笛卡尔积边界聚合
cartesian_centroid	计算所有坐标值加权质心
matrix_stats	矩阵统计聚合
max	最大值聚合
median_absolute_deviation	中位数绝对偏差聚合
min	最小值聚合
percentile_ranks	百分位排名聚合
percentiles	百分位聚合
rate	频率聚合
scripted_metric	脚本化指标聚合
stats	统计聚合
string_stats	字符串统计聚合
sum	求和聚合
t_test	校验聚合
top_hits	热门点击统计
top_metrics	热门指标聚合
value_count	值统计聚合
weighted_avg	加权平均值聚合

::: details 【示例】指标聚合示例

Metric 聚合测试：

// Metric 聚合，找到最低的工资
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "min_salary": {
      "min": {
        "field":"salary"
      }
    }
  }
}

// Metric 聚合，找到最高的工资
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "max_salary": {
      "max": {
        "field":"salary"
      }
    }
  }
}

// 多个 Metric 聚合，找到最低最高和平均工资
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "max_salary": {
      "max": {
        "field": "salary"
      }
    },
    "min_salary": {
      "min": {
        "field": "salary"
      }
    },
    "avg_salary": {
      "avg": {
        "field": "salary"
      }
    }
  }
}

// 一个聚合，输出多值
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "stats_salary": {
      "stats": {
        "field": "salary"
      }
    }
  }
}

:::

Bucket（桶聚合）

桶聚合不会像指标聚合那样计算字段的指标，而是创建文档桶。每个桶都与一个标准（取决于聚合类型）相关联，该标准确定当前上下文中的文档是否“落入”其中。换句话说，桶有效地定义了文档集。除了桶本身之外，桶聚合还计算并返回“落入”每个桶的文档数。

与指标聚合相反，桶聚合可以保存子聚合。这些子聚合将针对其 “父” 桶聚合创建的桶进行聚合。

Elasticsearch 中支持的桶聚合类型：

类型	说明
adjacency_matrix	邻接矩阵聚合
auto_interval_date_histogram	自动间隔日期直方图聚合
categorize_text	对文本进行分类聚合
children	子文档聚合
composite	组合聚合
date_histogram	日期直方图聚合
date_range	日期范围聚合
diversified_sampler	多种采样器聚合
filter	过滤器聚合
filters	多过滤器聚合
geo_distance	地理距离聚合
geohash_grid	geohash 网格
geohex_grid	geohex 网格
geotile_grid	geotile 网格
global	全局聚合
histogram	直方图聚合
ip_prefix	IP 前缀聚合
ip_range	IP 范围聚合
missing	空值聚合
multi_terms	多词项分组聚合
nested	嵌套聚合
parent	父文档聚合
random_sampler	随机采样器聚合
range	范围聚合
rare_terms	稀有多词项聚合
reverse_nested	反向嵌套聚合
sampler	采样器聚合
significant_terms	重要词项聚合
significant_text	重要文本聚合
terms	词项分组聚合
time_series	时间序列聚合
variable_width_histogram	可变宽度直方图聚合

::: details 【示例】terms 聚合查询

默认，ES 不允许对 Text 字段进行 terms 聚合查询

// 对 keword 进行聚合
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field":"job.keyword"
      }
    }
  }
}

// 对 Text 字段进行 terms 聚合查询，失败
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job"
      }
    }
  }
}

// 对 Text 字段打开 fielddata，支持 terms aggregation
PUT employees/_mapping
{
  "properties" : {
    "job":{
       "type":     "text",
       "fielddata": true
    }
  }
}

// 对 Text 字段进行 terms 分词。分词后的 terms
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field":"job"
      }
    }
  }
}

POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field":"job.keyword"
      }
    }
  }
}

:::

::: details 【示例】更多 Bucket 聚合示例

// 对 job 进行近似去重统计
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "cardinate": {
      "cardinality": {
        "field": "job"
      }
    }
  }
}

// 对 gender 进行聚合
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "gender": {
      "terms": {
        "field":"gender"
      }
    }
  }
}

// 指定 bucket 的 size
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "ages_5": {
      "terms": {
        "field":"age",
        "size":3
      }
    }
  }
}

// 指定 size，不同工种中，年纪最大的 3 个员工的具体信息
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field":"job.keyword"
      },
      "aggs":{
        "old_employee":{
          "top_hits":{
            "size":3,
            "sort":[
              {
                "age":{
                  "order":"desc"
                }
              }
            ]
          }
        }
      }
    }
  }
}

// Salary Ranges 分桶，可以自己定义 key
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "salary_range": {
      "range": {
        "field":"salary",
        "ranges":[
          {
            "to":10000
          },
          {
            "from":10000,
            "to":20000
          },
          {
            "key":">20000",
            "from":20000
          }
        ]
      }
    }
  }
}

// Salary Histogram, 工资 0 到 10 万，以 5000 一个区间进行分桶
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "salary_histrogram": {
      "histogram": {
        "field":"salary",
        "interval":5000,
        "extended_bounds":{
          "min":0,
          "max":100000

        }
      }
    }
  }
}

// 嵌套聚合 1，按照工作类型分桶，并统计工资信息
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "Job_salary_stats": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword"
      },
      "aggs": {
        "salary": {
          "stats": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    }
  }
}

// 多次嵌套。根据工作类型分桶，然后按照性别分桶，计算工资的统计信息
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "Job_gender_stats": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword"
      },
      "aggs": {
        "gender_stats": {
          "terms": {
            "field": "gender"
          },
          "aggs": {
            "salary_stats": {
              "stats": {
                "field": "salary"
              }
            }
          }
        }
      }
    }
  }
}

:::

Pipeline（管道聚合）

管道聚合处理从其他聚合而不是文档集生成的输出，从而将信息添加到输出树中。

Pipeline 聚合的分析结果会输出到原结果中，根据位置的不同，分为两类：

sibling - 结果和现有分析结果同级。例如：max_bucket、min_bucket、avg_bucket、sum_bucket、stats_bucket、extended_stats_bucket、percentiles_bucket。
parent - 结果内嵌到现有的聚合分析结果中。例如：derivative、cumulative_sum、moving_function。

管道聚合可以通过使用 buckets_path 参数来指示所需指标的路径，从而引用执行计算所需的聚合。管道聚合不能具有子聚合，但根据类型，它可以引用buckets_path中的另一个管道，从而允许链接管道聚合。

以下为 Elasticsearch 支持的管道聚合类型：

类型	说明
avg_bucket	平均桶
bucket_script	桶脚本
bucket_count_ks_test	桶数 k-s 测试
bucket_correlation	桶关联
bucket_selector	桶选择器
bucket_sort	桶排序
change_point	更改点
cumulative_cardinality	累积基数
cumulative_sum	累计总和
derivative	导数
extended_stats_bucket	扩展的统计信息桶
inference_bucket	推理桶
max_bucket	最大桶
min_bucket	最小桶
moving_function	移动功能
moving_percentiles	移动百分位数
normalize	正常化
percentiles_bucket	百分位数桶
serial_differencing	序列差分
stats_bucket	统计桶
sum_bucket	总和桶

::: details 【示例】Pipeline 聚合示例

// 平均工资最低的工作类型
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "size": 10
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    },
    "min_salary_by_job":{
      "min_bucket": {
        "buckets_path": "jobs>avg_salary"
      }
    }
  }
}

// 平均工资最高的工作类型
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "size": 10
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    },
    "max_salary_by_job":{
      "max_bucket": {
        "buckets_path": "jobs>avg_salary"
      }
    }
  }
}

// 平均工资的平均工资
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "size": 10
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    },
    "avg_salary_by_job":{
      "avg_bucket": {
        "buckets_path": "jobs>avg_salary"
      }
    }
  }
}

// 平均工资的统计分析
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "size": 10
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    },
    "stats_salary_by_job":{
      "stats_bucket": {
        "buckets_path": "jobs>avg_salary"
      }
    }
  }
}

// 平均工资的百分位数
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "jobs": {
      "terms": {
        "field": "job.keyword",
        "size": 10
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        }
      }
    },
    "percentiles_salary_by_job":{
      "percentiles_bucket": {
        "buckets_path": "jobs>avg_salary"
      }
    }
  }
}

// 按照年龄对平均工资求导
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "age": {
      "histogram": {
        "field": "age",
        "min_doc_count": 1,
        "interval": 1
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        },
        "derivative_avg_salary":{
          "derivative": {
            "buckets_path": "avg_salary"
          }
        }
      }
    }
  }
}

// Cumulative_sum
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "age": {
      "histogram": {
        "field": "age",
        "min_doc_count": 1,
        "interval": 1
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        },
        "cumulative_salary":{
          "cumulative_sum": {
            "buckets_path": "avg_salary"
          }
        }
      }
    }
  }
}

// Moving Function
POST /employees/_search
{
  "size": 0,
  "aggs": {
    "age": {
      "histogram": {
        "field": "age",
        "min_doc_count": 1,
        "interval": 1
      },
      "aggs": {
        "avg_salary": {
          "avg": {
            "field": "salary"
          }
        },
        "moving_avg_salary":{
          "moving_fn": {
            "buckets_path": "avg_salary",
            "window":10,
            "script": "MovingFunctions.min(values)"
          }
        }
      }
    }
  }
}

:::

聚合的执行流程

ES 在进行聚合分析时，协调节点会在每个分片的主分片、副分片中选一个，然后在不同分片上分别进行聚合计算，然后将每个分片的聚合结果进行汇总，返回最终结果。

由于，并非基于全量数据进行计算，所以聚合结果并非完全准确。

要解决聚合准确性问题，有两个解决方案：

解决方案 1：当数据量不大时，设置 Primary Shard 为 1，这意味着在数据全集上进行聚合。
解决方案 2：设置 shard_size 参数，将计算数据范围变大，进而使得 ES 的整体性能变低，精准度变高。shard_size 值的默认值是 size * 1.5 + 10。

参考资料

极客时间教程 - Elasticsearch 核心技术与实战
ES 官方文档之 Aggregations

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Elasticsearch 聚合

聚合的用法

限定数据范围

控制返回聚合结果

聚合结果排序

运行多个聚合

运行子聚合

Metric（指标聚合）

Bucket（桶聚合）

Pipeline（管道聚合）

聚合的执行流程

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限定数据范围

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