搜索引擎Elasticsearch简介实践

前言

之前在寻找日志收集搜索解决方案时，最常看到的便是 ELK：Elasticsearch + Logstash + Kibana 方案。尽管由于它对服务器资源要求很高转而使用 了 Loki，但也对它初步研究过。今天，就对其中的 Elasticsearch 深入了解一番。

Elasticsearch 介绍

Elasticsearch 是一个开源的搜索引擎，我们可以用它来处理文本、地理空间（如坐标）、结构化（如 DB 里的表）、非结构化（如报表、图片）等数据，然后通过简单的 REST API 对其搜索。它的最大特点就在于分布式以及实时速度，可部署到数百甚至上千台服务器上，以便我们存储处理海量的数据，而且其速度仍然能达到秒级。

它的底层使用的是 Apache Lucene。Apache Lucene 是一个高性能、功能强大的搜索引擎库，不过它只是一个库，需要使用 Java 才能集成到应用程序中。因此，Elasticsearch 对其进行了封装，屏蔽了底层的复杂性，对外只提供了简单的 RESTful API。

当 Elasticsearch 接收到像 Logstash 这种工具传输过来的数据后便会以文档的形式去分析提取索引，压缩数据，按配置的分片规则将数据均匀存储。在完成这些后，我们就可以进行可视化查询了，例如使用 Kibana 面板查看。

由于 Elasticsearch 具备了易用性、实时分析、全文搜索、分布部署、高可用等特性，所以除了用来做日志的处理分析外，还可以应用在安全分析、指标分析、性能监控等场景需求。

Elasticsearch 基本概念

文档（Document）

和传统的 DB 不一样，Elasticsearch 不是将数据存储为列式的二维表，而是
采用 Json 格式存储每一条数据，即文档是以键值对存在的字段集合。如下就可以是一条文档：

{
    "name":         "John Smith",
    "age":          42
}

我们也可以把文档理解为根对象，每条文档都会由唯一 \_id 标识它，如果我们在插入文档时没有指定 \_id，则 Elasticsearch 将会自动生成一个。

索引（Index）

Elasticsearch 之所以能进行实时搜索，最重要的就在于拿到文档数据后会对 json 里的所有字段建立索引，而且根据字段的不同类型建立不同的索引数据结构，例如 text 类型的字段会建立倒排索引，而数字和地理类型的字段会存储在 BKD 树里。这里重点介绍下倒排索引。

有倒排就有正排，我们先来看看正排索引，所谓的正排，我们可以简单的认为直接根据文档 \_id 获取到文档内容，只要你知道文档 \_id。

文档 \_id	文档内容
1	Elasticsearch 简介
2	Elasticsearch 实践

而倒排索引就不一样了，它会根据字段的内容进行分词提取出多个单词，然后根据单词建立起和文档 \_id 的关联关系。后续就可以通过单词 -> 文档 \_id -> 文档内容来搜索了。

单词	文档 \_id
Elasticsearch	1, 2
简介	1
实践	2

实际上像上述表格的第一列里的单词被称之为 term，而第二列被称之为 Posting List。在 Elasticsearch 里会对 term 进行优化以便快速寻找，同时还会其进行压缩，以减少存储空间。

映射类型（Mapping Types）

当文档被创建时，每个文档都会存储在一个单独的索引中，并且配以一个映射类型，以表示其文档类型，例如 twitter 索引可拥有 user 类型和 tweet 类型。

每个映射类型都可以有自己的字段，例如 user 类型可以有一个 full_name 、user_name、email 字段，而 tweet 类型可以有 content 、user_name、tweeted_at 字段。

实际上，user_name 字段在这两个映射类型里是共用存储的，这意味着，这个字段只能以一种数据类型而存在。如果我们想让 user 类型的 user_name 是 string 类型，想让
tweet 类型的 user_name 是 boolean 类型，是办不到的。

而且映射类型多了还会导致数据稀疏干扰 Lucene 的压缩文档能力。因此在 Elasticsearch 6.x 版本里只允许一个索引包含一个映射类型，在 7.x 版本里映射类型的概念则已被移除，变成 _doc 固定类型。

集群（Cluster）、节点（Node）

一个 ElasticSearch 实例称之为节点，当有多个实例节点一起协同工作时便称之为集群

分片（Shard）

ElasticSearch 处理的数据是非常大的，为了减少单个实例的压力，会将数据均衡的存储在各个节点上，而一个分片就是一个底层的工作单元，它保存了全部数据中的一部分。当我们集群扩容或缩小时，Elasticsearch 会自动的在各节点中迁移分片，使得数据仍然均匀分布在集群里。

一个分片可以是主分片或者是副本分片，副本分片其实就是主分片的拷贝，即所谓的冗余备份，防止硬件故障数据丢失。

ElasticSearch 安装

使用 docker 安装将非常简单，我们只需要拉取镜像：

docker pull elasticsearch:7.2.0

然后启动：

docker run --name elasticsearch -p 9200:9200 -p 9300:9300 -e "discovery.type=single-node" -d elasticsearch:7.2.0

验证是否安装成功：

curl http://localhost:9200

ElasticSearch 使用

ElasticSearch 提供了友好的 API 接口供外部使用。所以，当我们想往 ElasticSearch 输入数据、搜索数据便可以通过 HTTP + JSON 的方式进行。甚至我们可以直接使用 curl 命令来和 ElasticSearch 交互，例如统计文档数量：

curl -XGET 'http://localhost:9200/_count?pretty' -d '
{
    "query": {
        "match_all": {}
    }
}
'

在接收到请求，Elasticsearch 处理完成后将会返回一个 HTTP 状态码（例如：200 OK）和一个 JSON 格式的返回值，例如：

{
    "count" : 0,
    "_shards" : {
        "total" : 5,
        "successful" : 5,
        "failed" : 0
    }
}

为了书写方面，后面的请求将以简略形式呈现，不再描述所有相同的部分：主机名、端口号以及 curl 命令本身。例如以下简略格式：

GET /_count
{
    "query": {
        "match_all": {}
    }
}

事实上，如果我们使用 kibana 的控制面板，就会发现它就是这么要求命令输入的。另外，ElasticSearch 的版本有很多，有的版本差异将非常大，下面的使用都是是针对 7.20 版本的，请知悉。

创建

文档的创建需要指定三个元数据：\_index（文档的归集所在）、\_type（文档的归类）、\_id（文档的唯一标识）。其中，\_index 是一个逻辑上的命名空间，表示具有相同特性的文档集合，这个集合将会根据所有字段进行优化索引，在底层存储上则会被分发处理。

需要注意的是，由于 7.x 版本后的 _type 已经固定为 _doc 了，所以如果我们想要创建文档的话，可以这么发送命令：

POST my-index-000001/_doc/
{
  "@timestamp": "2099-11-15T13:12:00",
  "message": "GET /search HTTP/1.1 200 1070000",
  "user": {
    "id": "kimchy"
  }
}

此时，ElasticSearch 将会响应：

{
  "_shards": {
    "total": 2,
    "failed": 0,
    "successful": 2
  },
  "_index": "my-index-000001",
   "_type": "_doc",
  "_id": "W0tpsmIBdwcYyG50zbta",
  "_version": 1,
  "_seq_no": 0,
  "_primary_term": 1,
  "result": "created"
}

可以看到 ElasticSearch 将为我们自动生成了 _id 字段，如果我们的程序拥有自己的标识字段，那么可以自己定义 _id 的值：

PUT /my-index-000001/_doc/1
{
  "@timestamp": "2099-11-15T13:12:00",
  "message": "GET /search HTTP/1.1 200 1070000",
  "user": {
    "id": "kimchy"
  }
}

返回如下：

{
  "_shards": {
    "total": 2,
    "failed": 0,
    "successful": 2
  },
  "_index": "my-index-000001",
   "_type": "_doc",
  "_id": "1",
  "_version": 1,
  "_seq_no": 0,
  "_primary_term": 1,
  "result": "created"
}

这样的话，如果我们知道文档 _id，那么就也这样获取数据了：

获取

GET /my-index-000001/_doc/1

将返回如下：

{
  "_index": "my-index-000001",
  "_type": "_doc",
  "_id": "1",
  "_version": 1,
  "_seq_no": 0,
  "_primary_term": 1,
  "found": true,
  "_source": {
      "@timestamp": "2099-11-15T13:12:00",
      "message": "GET /search HTTP/1.1 200 1070000",
      "user": {
        "id": "kimchy"
      }
    }
}

搜索

当然，大多数时候我们是不知道文档 id 具体值的，所以我们得用下面 _search 来搜索：

GET /my-index-000001/_search?q=1.1

其中，q 表示查询任一字段包含 1.1 的记录。

如果我们想要更加功能丰富的查询，那么我们可以生成一个完整的 body 发送过去：

{
    "query": {
        "match" : {
            "message" : "1.1"
        }
    },
    "size": 2,
    "_source": [ "message", "user" ],
}

上面表示查询 2 条记录，并且只返回字段 message，user

更新

如果我们想要更新文档的话，可以使用下面命令：

POST /<index>/_update/<_id>

删除

如果我们想要删除文档的话，可以使用下面命令：

DELETE /<index>/_doc/<_id>

关于更多 API 命令大伙可以查看下官方的 API ：REST APIs

总结

优秀的开源框架总是能以友好的产品形态面向开发者，毫无疑问，Elasticsearch 就具备了这个特性。它屏蔽了底层复杂的逻辑概念，对外只暴露了简单易用的 API。让我们的程序能快速集成、快速应用，或许这就是一个开源框架被广泛使用的基操吧！

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