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周伟 0f006e4e9b add
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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>28 ElasticSearch 是如何建立索引的？</h1>
<p>前面讲到了 NoSQL 数据库的应用，在关系型数据库和 NoSQL 数据库之外，还有一类非常重要的存储中间件，那就是<strong>文件索引</strong>。当你在电商网站搜索商品，或者在搜索引擎搜索资料时，都离不开基于文件索引的各种检索框架的支持。</p>
<p>这一课时我们就一起来看下以 ElasticSearch 为代表的文件索引相关的知识。</p>
<h3>ElasticSearch 简介</h3>
<p>在讨论 ElasticSearch 之前，不得不提 Apache Lucene，因为 ElasticSearch 的广泛应用离不开 Lucene 的支持。</p>
<p>Lucene 是一个开源的全文检索引擎类库，支持各种分词以及搜索相关的实现，可以极大地简化搜索开发的成本，但 Lucene 只是一个工具包，在实际项目中进行二次开发，你需要非常熟悉 Lucene 的实现机制以及 API 应用，这样才能应用 Lucene 的各种特性。</p>
<p>现在有了 ElasticSearch，就可以直接使用基于 Lucene 的各种检索功能，ElasticSearch 是一个基于 Lucene 的分布式全文检索框架，在 Lucene 类库的基础上实现，可以避免直接基于 Lucene 开发，这一点和 Java 中 Netty 对 IO/NIO 的封装有些类似。</p>
<p>ElasticSearch 开放了一系列的 RESTful API，基于这些 API，可以快捷地实现各种搜索功能。另外一方面，除了搜索相关的功能，ElasticSearch 还对分布式场景下的应用有特别好的支持，包括良好的扩展性，可以扩展到上百台服务器的集群规模，以及近似实时分析的索引实现。这些特点，使得 ElasticSearch 在各类搜索场景、大数据分析等业务中广泛应用。</p>
<h4>ElasticSearch 应用</h4>
<p>ElasticSearch 对搜索的支持非常好，但是和 NoSQL 数据库一样，对事务、一致性等的支持较低。</p>
<p>下面是一个实际开发中，常见的数据库-索引-缓存系统架构图：</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F7-68eAeYw2AAF83MZQ2m0681.png" alt="25.png" /></p>
<p>可以看到，ElasticSearch 一般是作为持久性数据库的辅助存储，是和 SQL &amp; NoSQL 数据库一起使用，对外提供索引查询功能。关系型数据库保证数据更新的准确性，在关系型数据库更新以后，通过 binlog 同步结合消息队列分发的方式，来更新文件索引，提供一致性保证。</p>
<h4>ELK stack</h4>
<p>ElasticSearch 是由 Elastic 公司创建的，除了 ElasticSearch，Elastic 公司还有另外两款产品，分别是 Logstash 及 Kibana 开源项目，这三个开源项目组合在一起称为 ELK stack。</p>
<p>在 ELK 技术栈中，ElasticSearch 用于数据分析和检索，Logstash 用于日志收集，Kibana 用于界面的展示，ELK 可以用于快速查询数据并可视化分析，在日志处理、大数据等领域有非常广泛的应用。我在一个项目中曾经基于 ELK 部署过日志收集和告警系统，ELK 的文档和各种问题手册非常全面，可以说是开箱即用。</p>
<h3>索引是如何建立的</h3>
<p>ElasticSearch 存储的单元是<strong>索引</strong>，这一点区别于很多关系型数据库和 NoSQL 数据库，比如关系型数据库是按照关系表的形式组织数据，大部分 NoSQL 数据库是 K-Value 的键值对方式。</p>
<p>ElasticSearch 存储的基本单元是索引，那么索引是如何创建的呢？</p>
<p>ElasticSearch 索引的实现基于 Lucene，使用倒排索引的结构，倒排索引的引入，使得 ElasticSearch 可以非常高效地实现各种文件索引。倒排索引不光是在 ElasticSearch 等组件中应用，它还是百度等搜索引擎实现的底层技术之一。在搜索引擎中，索引的建立需要经过网页爬取、信息采集、分词、索引创建的过程，不过在 ElasticSearch 内部存储的实现中，数据的写入可以对比搜索引擎对网页的抓取和信息采集的过程，只需要关注分词和索引的创建。</p>
<h4>分词和索引</h4>
<p>分词是在索引建立中特别重要的一个环节，分词的策略会直接影响索引结果。Lucene 提供了多种分词器，分词器是一个可插拔的组件，包括内置的标准分词器， 也可以引入对中文支持较好的 IKAnalyze 中文分词器等。</p>
<p>下面我们通过一个例子来了解分词的具体过程，假设我们在 ElasticSearch 中新增了两个文档，每个文档包含如下内容：</p>
<ul>
<li>文档1，Jerry and Tom are good friends.</li>
<li>文档2，Good friends should help each other.</li>
</ul>
<p>英文是有单词的，单词之间通过空格进行拆分，所以对英文的分词相对容易，比如上面的内容，可以直接对字符串按照空格拆分，得到分词后的数组。</p>
<blockquote>
<p>Jerry / / and / / Tom / / are / / good / / friends / .
Good / / friends / / should / / help / / each / / other / .</p>
</blockquote>
<p>如果是中文，除了标点符号以外，一个整句是没有分隔符的，处理起来就会复杂得多。一般来说，中文分词用得比较多的策略是基于字典的最长字符串匹配方式，这种策略可以覆盖大多数场景，不过还是有一小部分天然存在歧义的文档是无法处理的。比如「学生会组织各种活动」，按照最长串匹配的方式，可以切分成“学生会/组织各种活动”，但实际要表达的可能是“学生/会/组织各种活动”。</p>
<p>现在有一个很火热的学科叫作自然语言处理，研究的问题就包括如何消除语义分析中的各种歧义问题，感兴趣的同学可以去了解下。</p>
<h4>建立索引</h4>
<p>索引存储的结构是倒排索引，什么是倒排索引呢？倒排索引是相对于正排索引来说的，倒排索引描述了一个映射关系，包括文档中分词后的结果，以及分别包含这些单词的文档列表。</p>
<p>索引描述的其实就是关键词和文档的关系，正排索引就是“文档—关键词”的格式，倒排索引则相反，是“关键词—文档”的格式。可以看到，当需要使用关键词进行检索时，使用倒排索引才能实现快速检索的目的。</p>
<p>针对上面的分词示例，我们简单起见，统一为小写，把分词之后的单词组成一个不重复的分词列表，为了更好地进行查找，可以按照字典序排序。</p>
<blockquote>
<p>and,are,each,friends,good,help,jerry,other,should,tom</p>
</blockquote>
<p>比如，其中“friends”在文档 1 和文档 2 中都出现了，“Tom”和“Jerry”只在文档 1 中出现了 1 次，其他的单词也进行同样地处理，于是我们可以构建下面的倒排索引：</p>
<table>
<thead>
<tr>
<th>分词</th>
<th>文档列表</th>
</tr>
</thead>
<tbody>
<tr>
<td>...</td>
<td>...</td>
</tr>
<tr>
<td>friends</td>
<td>文档 1，文档 2</td>
</tr>
<tr>
<td>good</td>
<td>文档 1，文档 2</td>
</tr>
<tr>
<td>jerry</td>
<td>文档 1，</td>
</tr>
<tr>
<td>tom</td>
<td>文档 1</td>
</tr>
<tr>
<td>...</td>
<td>以下省略</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<p>具体到数据结构的实现，可以通过实现一个字典树，也就是 Trie 树，对字典树进行扩展，额外存储对应的数据块地址，定位到具体的数据位置。</p>
<p><img src="assets/CgqCHl77Do-AXYgbAABfeRIU95w684.png" alt="3.png" /></p>
<h4>对比 B+ 树</h4>
<p>MySQL InnoDB 引擎的索引实现是基于 B+ 树，那么同样是索引，倒排索引和 B+ 树索引有哪些区别呢？</p>
<p>严格地说，这两类索引是不能在一起比较的，B+ 树描述的是索引的数据结构，而倒排索引是通过索引的组织形式来命名的。比如我们上面的例子中，倒排指的是关键词和文档列表的结构关系。</p>
<p>对于数据库来说，索引的作用是提高数据查询的性能，考虑到磁盘寻址的特性，选择了 B+ 树作为索引的实现结构，可以更好地实现通过主键以及通过区间范围查找的要求。</p>
<p>对于倒排索引，则是对应具体的应用场景，我们在搜索中是通过一些关键词，定位到具体的文档。所以倒排索引实现的是根据关键词，也就是分词的结果，去查找文档，或者不同的网页。</p>
<h3>总结</h3>
<p>这一课时介绍了 ElasticSearch 存储组件及其应用，日志分析的三大件之 ELK 技术栈，以及倒排索引是如何实现的。</p>
<p>虽然 ElasticSearch 技术可以实现高效的检索，但是也带来了相应的部署以及一致性维护成本，在一些小型项目中，还是会用数据库模糊匹配的方式实现关键词检索。你可以思考一下，在你负责的项目中，是如何实现关键词检索的？欢迎留言分享。</p>
</div>
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