微服务架构Docker和Elasticsearch在搭建全文本搜索引擎的应用
seoyanjiu 2018-03-24
给应用添加快速、灵活的全文本搜索对谁都不是一件容易的事情。许多主流数据库，如PostgreSQL和MongoDB，受限于查询和索引结构，只提供基础文本搜索能力。为了提供高效全文本搜索一般都需要一个独立的数据库。Elasticsearch正是这样一个能够提供灵活性和快速全文本搜索能力的开源数据库。
本文采用Docker来设置依赖环境。Docker是目前最常见的容器化引擎，Uber、Spotify、ADP和Paypal都是用这个技术，它的优势在于与操作系统无关，可以运行在Windows、macOS和Linux之上——写操作指南很容易。如果从来没有用过Docker也没问题，本文会详细提供配置文件。
本文也分别采用Node.js采（用Koa框架）和Vue.js创建搜索API和前端Web应用。
1. 什么是Elasticsearch
现代应用中全文本检索是高请求负载的应用。搜索功能也是比较困难完成的功能（许多大众网站都有subpar功能，但不是返回很慢就是返回结果不准确），大部分原因是因为底层数据库：许多标准关系型数据库只能提供基本字符串匹配功能，而对CONTAINS或者LIKE SQL查询只能提供有限支持。
而本文提供的搜索应用能够提供：
快速：查询结果应该实时返回，提高用户体验。
灵活：根据不同数据和使用场景，可以调整搜索过程。
最佳建议：对于输入错误，返回最可能的结果。
全文本：除了搜索关键词和标签之外，希望能够搜索到所有匹配文本。
实现以上要求的搜索应用，最好采用一个为全文本检索优化的数据库，这也是本文采用Elasticsearch的原因。Elasticsearch是一个用Java开发的，开源的内存数据库，最开始是包含在Apache Lucene库中。以下是一些官方给出的Elasticsearch使用场景：
Wikipedia使用Elasticsearch提供全文检索，提供高亮显示、search-as-you-type和did-you-mean建议等功能。
Guardian使用Elasticsearch将访问者社交数据整合反馈给作者。
Stack Overflow将位置信息和more-like-this功能与全文本检索整合提供相关问题和答案。
GitHub使用Elasticsearch在一千三百亿行代码中进行搜索。
Elasticsearch有什么独特之处
本质上，Elasticsearch通过使用反向索引提供快速和灵活的全文本搜索。
“索引”是一种在数据库中提供快速查询和返回的数据结构。数据库一般将数据域和相应表位置生成索引信息。将索引信息存放在一个可搜索的数据结构中（一般是B-Tree），数据库可以为优化数据请求获得线性搜索响应（例如“Find the row with ID=5”）。
可以把数据库索引看做学校图书馆卡片分类系统，只要知道书名和作者，就可以准确告诉查找内容的入口。数据库表一般都有多个索引表，可以加速查询（例如，对name列的索引可以极大加速对特定name的查询）。
而反向索引工作原理与此完全不同。每行（或者每个文档）的内容被分拆，每个入口（本案例中是每个单词）反向指向包含它的文档。
反向索引数据结构对查询“football”位于哪个文档这种查询非常迅速。Elasticsearch使用内存优化反向索引，可以实现强大和客制化全文本检索任务。
2. 项目安装
2.0 Docker
本文使用Docker作为项目开发环境。Docker是一个容器化引擎，应用可以运行在隔离环境中，不依赖于本地操作系统和开发环境。因为可以带来巨大灵活性和客制化，许多互联网公司应用都已经运行在容器中。
对于作者来说，Docker可以提供平台一致性安装环境（可以运行在Windows、macOS和Linux系统）。一般Node.js、Elasticsearch和Nginx都需要不同安装步骤，如果运行在Docker环境中只需要定义好不同配置文件，就可以运行在任何Docker环境。另外，由于应用各自运行在隔离容器中，与本地宿主机关系很小，因此类似于“但是我这可以运行啊”这种排错问题就很少会出现。
2.1 安装Docker和Docker-Compose
本项目只需要Docker和Docker-Compose环境。后者是Docker官方工具，在单一应用栈中编排定义多个容器配置。
安装Docker——https://docs.docker.com/engine/installation/
安装Docker Compose——https://docs.docker.com/compose/install/
2.2 设置项目安装目录
创建一个项目根目录（例如guttenberg_search），在其下定义两个子目录：
/public——为前端 Vue.js webapp存放数据。
/server——服务器端Node.js 源文件。
2.3 添加Docker-Compose配置文件
下一步，创建docker-compose.yml文件，定义应用栈中每个容器的配置：
gs-api——Node.js 容器后端应用逻辑.
gs-frontend——为前端webapp提供服务的Nginx容器
gs-search——存储搜索数据的Elasticsearch容器
此文件定义应用栈，而不需要在本地宿主机安装Elasticsearch、Node.js、或者Nginx。每个容器都对宿主机开放相应端口，以便从宿主机访问和排错Node API，Elasticsearch实例和前端应用。
2.4 添加Dockerfile
本文使用官方的Nginx和Elasticsearch镜像，但是需要重新为Node.js创建自己的镜像。
在应用根目录定义一个简单的Dockerfile配置文件。
此Docker配置文件中将应用源码拷贝进来，安装了NPM依赖包，形成了自己的镜像。同样需要添加一个.dockerignore文件，避免不需要的文件被拷入。
注意：不需要将node_modules拷入，因为我们后续要用npm install来安装这些进程。如果拷贝node_modules到容器中容易引起兼容性问题。例如在macOS上安装bcrypt包，如果将此module拷入Ubuntu容器就会引起操作系统不匹配问题。
2.5 添加基础文件
测试配置文件前，还需要往应用目录拷入一下占位文件。在public/index.html中加入如下基础配置信息：
下一步，在server/app.js中加入Node.js的应用文件。
最后，加入package.json节点配置文件：
此文件定义应用开始命令和Node.js依赖包。
注意：不需要特意运行npm install，容器创建时候会自动安装依赖包。2.6 开始测试
都准备好了，接下来可以测试了。从项目根目录开始，运行docker-compose，会自动创建Node.js容器应用。
运行docker-compose up启动应用：
访问localhost:8080，应该看到如下图输出“hello world”。
访问localhost:3000验证服务器端返回“hello world”信息。
最后，访问localhost:9200确认Elasticsearch是否运行，如果正常，应该返回如下输出：
如果所有URL输出都正常，恭喜，整个应用框架可以正常工作，下面开始进入真正有趣的部分了。
3. 接入Elasticsearch
第一步是要接入本地Elasticsearch实例。
3.0 加入ES链接模块
在server/connection.js中加入如下初始化代码：
下面用docker-compose来重建更改过的应用。之后运行docker-compose up -d重新启动后台进程。
应用启动后，命令行运行docker exec gs-api "node" "server/connection.js"，在容器中运行脚本，应该可以看到如下输出：
如果一切顺利，就可以把最后一行的checkConnection()调用删掉，因为最终应用会从connection模块之外调用它。
3.1 给Reset Index添加Helper功能
在server/connection.js文件checkConnection之下添加如下内容, 以便更加方便重置索引。
3.2 添加Book Schema
紧接resetIndex之后，添加如下功能：
此处为书目索引定义了mapping（映射）。Elasticsearch索引类似于SQL的表或者MongoDB的connection。通过mapping我们可以定义文档每个域和数据类型。Elasticsearch是schema-less，因此技术上说不需要添加mapping，但是通过mapping可以更好控制数据处理方式。
例如，有两个关键词域，分别是“titile”和“author”，文本定为“text”域。这样定义搜索引擎会有完全不同的动作：搜索中，引擎会在text域中查找可能匹配项，而在关键词域则是精确匹配。看起来差别不大，但却对搜索行为和搜索速度有很大影响。
在文件最后输出功能和属性，可以被其它模块访问。
4. 加载源数据
本文使用从Gutenberg项目（一个在线提供免费电子书的应用）提供的数据。包括100本经典书目，例如《80天环绕地球》、《罗密欧与朱丽叶》以及《奥德赛》等。
4.1 下载书籍数据
本文的数据可以从以下网站下载：
https://cdn.patricktriest.com/data/books.zip，之后解压到项目根目录下的books/ 子目录下。
也可以用命令行实现以上操作：
4.2 预览书籍
打开一本书，例如219-0.txt。书籍以公开访问license开始，跟着是书名、作者、发行日期、语言以及字符编码。
随后是声明信息：* * * START OF THIS PROJECT GUTENBERG EBOOK HEART OF DARKNESS * * *，紧接着就是书的实际内容。
书的最后会发现书籍结束声明： * * * END OF THIS PROJECT GUTENBERG EBOOK HEART OF DARKNESS * * *，紧跟着是更加详细的书籍license。
下一步将用编程方法从书中提取元数据，并且从* * *之间将书籍内容抽取出来。
4.3 读取数据目录
本节写一段脚本读取书籍内容添加到Elasticsearch中，脚本存放在server/load_data.js 中。
首先，获得books目录下所有文件列表。
运行docker-compose -d --build重建镜像更新应用。
运行docker exec gs-api "node" "server/load_data.js"调用包含load_data脚本应用，应该看到Elasticsearch输出如下。随后，脚本会因为错误退出，原因是调用了一本目前还不存在的helper函数（parseBookFile）。
4.4 读取数据文件
创建server/load_data.js文件，读取每本书元数据和内容：
此函数执行以下功能：
从文件系统中读入文件
使用正则表达式抽取书名和作者
通过定位* * *，来抽取书中内容
解析出段落
清洗数据，移除空行
最后返回一个包含书名、作者和段落列表的对象。
运行docker-compose up -d --build和docker exec gs-api "node" "server/load_data.js" ，输出如下：
到这步，脚本顺利分理出书名和作者，脚本还会因为同样问题出错（调用还未定义的函数）。
4.5 在ES中索引数据文件
最后一步在load_data.js中添加insertBookData函数，将上一节中提取数据插入Elasticsearch索引中。
此函数索引书籍段落，包括作者、书名和段落元数据信息。使用bulk操作插入段落，比分别索引段落效率高很多。
批量bulk索引这些段落可以使本应用运行在低配电脑上（我只有1.7G内存），如果你有高配电脑（大于4G内容），也许不用考虑批量bulk操作。运行docker-compose up -d --build 和 docker exec gs-api "node" "server/load_data.js" 输出如下：
5. 搜索
Elasticsearch已经灌入100本书籍数据（大约230000段落），本节做一些搜索操作。
5.0 简单http查询
首先，使用http://localhost:9200/library/ ... retty ， 这里使用全文本查询关键字“Java”，输入应该如下：
Elasticsearch HTTP接口对于测试数据是否正常插入很有用，但是如果直接暴露给web应用就很危险。不应该将操作性API功能（例如直接添加和删除文档）直接暴露给应用，而应该写一段简单Node.js API接收客户端请求，（通过私网）转发给Elasticsearch进行查询。
5.1 请求脚本
这一节介绍如何从Node.js应用中向Elasticsearch中发送请求。首先创建新文件：server/search.js。
本模块定义了一个简单的search功能，使用输入信息进行匹配查询。详细字段解释如下：
from：为结果标出页码。每次查询默认返回10个结果；因此指定from为10，可以直接显示10-20的查询结果。
query：具体查询关键词。
operator：具体查询操作；本例中采用“and”操作符，优先显示包含所有查询关键词的结果。
fuzziness：错误拼写修正级别（或者是模糊查询级别），默认是2。数值越高，允许模糊度越高；例如数值1，会对Patricc的查询返回Patrick结果。
highlights：返回额外信息，其中包含HTML格式显示匹配文本信息。 可以调整这些参数看看具体的显示信息，可以查看Elastic Full-Text Query DSL获得更多信息。
6. API
本节提供前端代码访问的HTTP API。
6.0 API Server
修改server/app.js内容如下：
这段代码导入服务依赖环境，为Koa.js Node API Server设置简单日志和错误处理机制。
6.1 将服务端点与查询链接起来
这一节为Server端添加服务端点，以便暴露给Elasticsearch查询服务。
在server/app.js中//ADD ENDPOINTS HERE 之后插入如下代码：
用docker-compose up -d --build重启服务端。在浏览器中，调用此服务。
例如:http://localhost:3000/search?term=java。
返回结果看起来应该如下：
6.2 输入验证
此时服务端还是很脆弱，下面对输入参数进行检查，对无效或者缺失的输入进行甄别，并返回错误。
我们使用Joi和Koa-Joi-Validate库进行这种类型的验证：
现在如果重启服务端，并做一个缺失参数查询(http://localhost:3000/search)，将会返回HTTP 400错误，例如：Invalid URL Query - child "term" fails because ["term" is required]。
可以用docker-compose logs -f api 查看日志。
7. 前端应用
/search服务端硬件可以了，本节写一段简单前端web应用测试API。
7.0 Vue.js
本节使用Vue.js来开发前端。创建一个新文件/public/app.js：
应用特别简单，只是定义一些共享数据属性，添加一个接收方法以及为结果分页的功能；搜索间隔设置为100ms，以防API被频繁调用。
解释Vue.js如何工作超出本文的范围，如果想了解相关内容，可以查看Vue.js官方文档.
7.1 HTML
将/public/index.html用如下内容代替：
7.3 CSS
添加一个新文件：/public/styles.css：
7.3 测试
打开localhost:8080，应该能够看到一个简单分页返回结果。此时可以键入一些关键词进行查询测试。
如果点任一个输出，没什么效果，意味着还有一些功能需要添加进应用中。
8. 页面检查
最好点击任何一个输出，可以查出上下文来自哪本书。
8.0 添加Elasticsearch查询
首先，需要定义一个从给定书中获得段落的简单查询。在server/search.js下的module.exports中加入如下内容：
此功能将返回给定书排序后的段落。
8.1 添加API服务端口
本节将把上节功能链接到API服务端口。在server/app.js中原来的/search服务端口下添加如下内容：
8.2 添加UI界面
本节添加前端查询功能，并显示书中包含查询内容的整页信息。在/public/app.js methods功能块中添加如下内容：
以上五个功能块提供在书中下载和分页（每页显示10段）逻辑操作。
在/public/index.html 中的<!- - INSERT BOOK MODAL HERE -->分界符下加入显示书页的UI代码如下：
重启应用服务器（docker-compose up -d --build），打开localhost:8080。此时如果点击搜索结果，就可以查询段落上下文。如果对查到结果感兴趣，甚至可以从查询处一直读下去。
恭喜！！到这一步主体框架已经搭建完毕。以上所有代码都可以从这里获得。
9. Elasticsearch的不足
9.0 资源消耗
Elasticsearch是计算资源消耗的应用。官方建议至少运行在64G以上内存的设备上，不建议少于8GB内存。Elasticsearch是一个内存数据库，因此查询速度会很快，但是也会消耗大量内存。生产中，强烈推荐运行Elasticsearch集群提供高可用性、自动分片和数据冗余功能。
我在一个1.7GB的云设备上（每月15美金）运行以上示例（search.patriktriest.com），这些资源仅是能够运行Elasticsearch节点。有时整个节点会在初始装载数据时候hang住。从我的经验看，Elasticsearch比传统的PostgreSQL和MongoDB跟消耗资源，如果需要提供理想服务效果，成本可能会很贵。
9.1 数据库之间的同步
对许多应用，将数据存放在Elasticsearch中并不是理想的选择。建议将ES作为交易型数据库，但是因为ES不兼容ACID标准（当扩展系统导入数据时，可能造成写入操作丢失的问题），所以也不推荐。很多场景下，ES承担着很特殊的角色，例如全文本查询，这种场景下需要某些数据从主数据库复制到Elasticsearch数据库中。
例如，假设我们需要将用户存放到PostgreSQL表中，但是使用ES承担用户查询功能。如果一个用户，“Albert”，决定修改名字为“Al”，就需要在主PostgreSQL库和ES集群中同时进行修改。
这个操作有些复杂，依赖现有的软件栈。有许多开源资源可选，既有监控MongoDB操作日志并自动同步删除数据到ES的进程，到创建客制化基于PSQL索引自动与ES通讯的PostgreSQL插件。
如果之前提到的选项都无效，可以在服务端代码中根据数据库变化手动更新Elasticsearch索引。但是我认为这种选择并不是最佳的，因为使用客制化商业逻辑保持ES同步很复杂，而且有可能会引入很多bugs。
Elasticsearch与主数据库同步需求，与其说是ES的弱点，不如说是架构复杂造成的；给应用添加一个专用搜索引擎是一件值得考虑的事情，但是要折衷考虑带来的问题。
结论
全文本搜索对现代应用来说是一个很重要的功能，同时也是很难完成的功能。Elasticsearch则提供了实现快速和客制化搜索的实现方式，但是也有其它替代选项。Apache Solr是另外一个基于Apache Lucene（Elasticsearch核心也采用同样的库）实现的开源类似实现。Algolia则是最近很活跃的search-as-a-service模式web平台，对初学者来说更加容易上手（缺点是客制化不强，而且后期投入可能很大）。
“search-bar”模式功能远不仅是Elasticsearch的唯一使用场景。ES也是一个日志存储和分析常用工具，一般用于ELK架构（Elasticsearch，Logstash，Kibana）。ES实现的灵活全文本搜索对数据科学家任务也很有用，例如修改、规范化数据集拼写或者搜索数据集。
如下是有关本项目的考虑：
在应用中添加更多喜爱的书，创建自己私有库搜索引擎。
通过索引Google Scholar论文，创建一个防抄袭引擎。
通过索引字典中单词到ES中，建立拼写检查应用。
通过加载Common Crawl Corpus到ES（注意，有50亿页内容，是一个非常巨大数据集），建立自己的与谷歌竞争的互联网搜索引擎。
在新闻业中使用Elasticsearch：在例如Panama论文和Paradise论文集中搜索特点名称和词条。
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另外一部分，则需要先做聚类、分类处理，将聚合出的分类结果存入ES集群的聚类索引中。数据处理层的聚合结果存入ES中的指定索引，同时将每个聚合主题相关的数据存入每个document下面的某个field下。