SpringCloud 微服务全栈体系（十二）

第十一章分布式搜索引擎 elasticsearch

一、初识 elasticsearch

1. 了解 ES

1.1 elasticsearch 的作用

elasticsearch 是一款非常强大的开源搜索引擎，具备非常多强大功能，可以帮助我们从海量数据中快速找到需要的内容
例如：
- 在 GitHub 搜索代码
- 在电商网站搜索商品
- 在谷歌搜索答案
- 在打车软件搜索附近的车

1.2 ELK 技术栈

elasticsearch 结合 kibana、Logstash、Beats，也就是 elastic stack（ELK）。被广泛应用在日志数据分析、实时监控等领域：

在这里插入图片描述

而 elasticsearch 是 elastic stack 的核心，负责存储、搜索、分析数据。

在这里插入图片描述

1.3 elasticsearch 和 lucene

elasticsearch 底层是基于lucene来实现的。
Lucene是一个 Java 语言的搜索引擎类库，是 Apache 公司的顶级项目，由 DougCutting 于 1999 年研发。官网地址：https://lucene.apache.org/ 。
elasticsearch的发展历史：
- 2004 年 Shay Banon 基于 Lucene 开发了 Compass
- 2010 年 Shay Banon 重写了 Compass，取名为 Elasticsearch。

在这里插入图片描述

1.4 为什么不是其他搜索技术？

目前比较知名的搜索引擎技术排名：

在这里插入图片描述

虽然在早期，Apache Solr 是最主要的搜索引擎技术，但随着发展 elasticsearch 已经渐渐超越了 Solr，独占鳌头。

1.5 总结

什么是 elasticsearch？
- 一个开源的分布式搜索引擎，可以用来实现搜索、日志统计、分析、系统监控等功能
什么是 elastic stack（ELK）？
- 是以 elasticsearch 为核心的技术栈，包括 beats、Logstash、kibana、elasticsearch
什么是 Lucene？
- 是 Apache 的开源搜索引擎类库，提供了搜索引擎的核心 API

2. 倒排索引

倒排索引的概念是基于 MySQL 这样的正向索引而言的。

2.1 正向索引

那么什么是正向索引呢？例如给下表（tb_goods）中的 id 创建索引：

在这里插入图片描述

如果是根据 id 查询，那么直接走索引，查询速度非常快。
但如果是基于 title 做模糊查询，只能是逐行扫描数据，流程如下：

1）用户搜索数据，条件是 title 符合"%手机%"

2）逐行获取数据，比如 id 为 1 的数据

3）判断数据中的 title 是否符合用户搜索条件

4）如果符合则放入结果集，不符合则丢弃。回到步骤 1

逐行扫描，也就是全表扫描，随着数据量增加，其查询效率也会越来越低。当数据量达到数百万时，就是一场灾难。

请添加图片描述

2.2 倒排索引

倒排索引中有两个非常重要的概念：
- 文档（Document）：用来搜索的数据，其中的每一条数据就是一个文档。例如一个网页、一个商品信息
- 词条（Term）：对文档数据或用户搜索数据，利用某种算法分词，得到的具备含义的词语就是词条。例如：我是中国人，就可以分为：我、是、中国人、中国、国人这样的几个词条
创建倒排索引是对正向索引的一种特殊处理，流程如下：
- 将每一个文档的数据利用算法分词，得到一个个词条
- 创建表，每行数据包括词条、词条所在文档 id、位置等信息
- 因为词条唯一性，可以给词条创建索引，例如 hash 表结构索引
如图：

在这里插入图片描述

倒排索引的搜索流程如下（以搜索"华为手机"为例）：

1）用户输入条件"华为手机"进行搜索。

2）对用户输入内容分词，得到词条：华为、手机。

3）拿着词条在倒排索引中查找，可以得到包含词条的文档 id：1、2、3。

4）拿着文档 id 到正向索引中查找具体文档。

如图：

请添加图片描述

虽然要先查询倒排索引，再查询正向索引，但是无论是词条、还是文档 id 都建立了索引，查询速度非常快！无需全表扫描。

2.3 正向和倒排

那么为什么一个叫做正向索引，一个叫做倒排索引呢？
- 正向索引是最传统的，根据 id 索引的方式。但根据词条查询时，必须先逐条获取每个文档，然后判断文档中是否包含所需要的词条，是根据文档找词条的过程。
- 而倒排索引则相反，是先找到用户要搜索的词条，根据词条得到包含词条的文档的 id，然后根据 id 获取文档。是根据词条找文档的过程。
是不是恰好反过来了？
那么两者方式的优缺点是什么呢？

2.3.1 正向索引

优点：
- 可以给多个字段创建索引
- 根据索引字段搜索、排序速度非常快
缺点：
- 根据非索引字段，或者索引字段中的部分词条查找时，只能全表扫描。

2.3.2 倒排索引

优点：
- 根据词条搜索、模糊搜索时，速度非常快
缺点：
- 只能给词条创建索引，而不是字段
- 无法根据字段做排序

3. es 的一些概念

elasticsearch 中有很多独有的概念，与 mysql 中略有差别，但也有相似之处。

3.1 文档和字段

elasticsearch 是面向文档（Document）存储的，可以是数据库中的一条商品数据，一个订单信息。文档数据会被序列化为 json 格式后存储在 elasticsearch 中：

在这里插入图片描述

而 Json 文档中往往包含很多的字段（Field），类似于数据库中的列。

3.2 索引和映射

索引（Index），就是相同类型的文档的集合。
例如：
- 所有用户文档，就可以组织在一起，称为用户的索引；
- 所有商品的文档，可以组织在一起，称为商品的索引；
- 所有订单的文档，可以组织在一起，称为订单的索引；

请添加图片描述

因此，我们可以把索引当做是数据库中的表。
数据库的表会有约束信息，用来定义表的结构、字段的名称、类型等信息。因此，索引库中就有映射（mapping），是索引中文档的字段约束信息，类似表的结构约束。

3.3 mysql 与 elasticsearch

我们统一的把 mysql 与 elasticsearch 的概念做一下对比：

MySQL	Elasticsearch	说明
Table	Index	索引(index)，就是文档的集合，类似数据库的表(table)
Row	Document	文档（Document），就是一条条的数据，类似数据库中的行（Row），文档都是 JSON 格式
Column	Field	字段（Field），就是 JSON 文档中的字段，类似数据库中的列（Column）
Schema	Mapping	Mapping（映射）是索引中文档的约束，例如字段类型约束。类似数据库的表结构（Schema）
SQL	DSL	DSL 是 elasticsearch 提供的 JSON 风格的请求语句，用来操作 elasticsearch，实现 CRUD

是不是说，学习了 elasticsearch 就不再需要 mysql 了呢？
并不是如此，两者各自有自己的擅长支出：
- Mysql：擅长事务类型操作，可以确保数据的安全和一致性
- Elasticsearch：擅长海量数据的搜索、分析、计算
因此在企业中，往往是两者结合使用：
- 对安全性要求较高的写操作，使用 mysql 实现
- 对查询性能要求较高的搜索需求，使用 elasticsearch 实现
- 两者再基于某种方式，实现数据的同步，保证一致性

在这里插入图片描述

4. 安装 es、kibana

4.1 安装 es

4.1.1 部署单点 es

4.1.1.1 创建网络

因为还需要部署 kibana 容器，因此需要让 es 和 kibana 容器互联。这里先创建一个网络：

docker network create es-net

4.1.1.2 加载镜像

采用 elasticsearch 的 7.12.1 版本的镜像，这个镜像体积非常大，接近 1G。
资料提供了镜像的 tar 包。
（见专栏 -> 全栈资料包 -> 资源包/02_cloud）

在这里插入图片描述

将其上传到虚拟机中，然后运行命令加载即可：

# 导入数据
docker load -i es.tar

同理还有kibana的 tar 包也需要这样做。

4.1.1.3 运行

运行 docker 命令，部署单点 es：

docker run -d \
	--name es \
    -e "ES_JAVA_OPTS=-Xms512m -Xmx512m" \
    -e "discovery.type=single-node" \
    -v es-data:/usr/share/elasticsearch/data \
    -v es-plugins:/usr/share/elasticsearch/plugins \
    --privileged \
    --network es-net \
    -p 9200:9200 \
    -p 9300:9300 \
elasticsearch:7.12.1

命令解释：
- -e "cluster.name=es-docker-cluster"：设置集群名称
- -e "http.host=0.0.0.0"：监听的地址，可以外网访问
- -e "ES_JAVA_OPTS=-Xms512m -Xmx512m"：内存大小
- -e "discovery.type=single-node"：非集群模式
- -v es-data:/usr/share/elasticsearch/data：挂载逻辑卷，绑定 es 的数据目录
- -v es-logs:/usr/share/elasticsearch/logs：挂载逻辑卷，绑定 es 的日志目录
- -v es-plugins:/usr/share/elasticsearch/plugins：挂载逻辑卷，绑定 es 的插件目录
- --privileged：授予逻辑卷访问权
- --network es-net ：加入一个名为 es-net 的网络中
- -p 9200:9200：端口映射配置
在浏览器中输入：http://192.168.150.101:9200 即可看到 elasticsearch 的响应结果：

在这里插入图片描述

4.1.2 部署 kibana

kibana 可以给我们提供一个 elasticsearch 的可视化界面。

4.1.2.1 部署

运行 docker 命令，部署 kibana
```
docker run -d \
--name kibana \
-e ELASTICSEARCH_HOSTS=http://es:9200 \
--network=es-net \
-p 5601:5601  \
kibana:7.12.1
```
- --network es-net ：加入一个名为 es-net 的网络中，与 elasticsearch 在同一个网络中
- -e ELASTICSEARCH_HOSTS=http://es:9200"：设置 elasticsearch 的地址，因为 kibana 已经与 elasticsearch 在一个网络，因此可以用容器名直接访问 elasticsearch
- -p 5601:5601：端口映射配置
kibana 启动一般比较慢，需要多等待一会，可以通过命令查看运行日志：

docker logs -f kibana

此时，在浏览器输入地址访问：http://192.168.150.101:5601，即可看到结果

4.1.2.2 DevTools

kibana 中提供了一个 DevTools 界面
这个界面中可以编写 DSL 来操作 elasticsearch。并且对 DSL 语句有自动补全功能。

4.2 安装分词器

4.2.1 在线安装 ik 插件（较慢）

# 进入容器内部
docker exec -it elasticsearch /bin/bash

# 在线下载并安装
./bin/elasticsearch-plugin  install https://github.com/medcl/elasticsearch-analysis-ik/releases/download/v7.12.1/elasticsearch-analysis-ik-7.12.1.zip

#退出
exit
#重启容器
docker restart elasticsearch

4.2.2 离线安装 ik 插件（推荐）

4.2.2.1 查看数据卷目录

安装插件需要知道 elasticsearch 的 plugins 目录位置，而我们用了数据卷挂载，因此需要查看 elasticsearch 的数据卷目录，通过下面命令查看：

docker volume inspect es-plugins

显示结果：

[
    {
        "CreatedAt": "2022-05-06T10:06:34+08:00",
        "Driver": "local",
        "Labels": null,
        "Mountpoint": "/var/lib/docker/volumes/es-plugins/_data",
        "Name": "es-plugins",
        "Options": null,
        "Scope": "local"
    }
]

说明 plugins 目录被挂载到了：/var/lib/docker/volumes/es-plugins/_data 这个目录中。

4.2.2.2 解压缩分词器安装包

把资料中的 ik 分词器解压缩，重命名为 ik
（见专栏 -> 全栈资料包 -> 资源包/02_cloud）

在这里插入图片描述

4.2.2.3 上传到 es 容器的插件数据卷中

也就是/var/lib/docker/volumes/es-plugins/_data

4.2.2.4 重启容器

# 重启容器
docker restart es

# 查看es日志
docker logs -f es

4.2.2.5 测试

IK 分词器包含两种模式：
- ik_smart：最少切分
- ik_max_word：最细切分

GET /_analyze
{
  "analyzer": "ik_max_word",
  "text": "小帽课堂学习java太棒了"
}

结果

{
  "tokens" : [
    {
      "token" : "小帽",
      "start_offset" : 0,
      "end_offset" : 2,
      "type" : "CN_WORD",
      "position" : 0
    },
    {
      "token" : "课堂",
      "start_offset" : 2,
      "end_offset" : 5,
      "type" : "CN_WORD",
      "position" : 1
    },
    {
      "token" : "学习",
      "start_offset" : 5,
      "end_offset" : 7,
      "type" : "CN_WORD",
      "position" : 2
    },
    {
      "token" : "java",
      "start_offset" : 7,
      "end_offset" : 11,
      "type" : "ENGLISH",
      "position" : 3
    },
    {
      "token" : "太棒了",
      "start_offset" : 11,
      "end_offset" : 14,
      "type" : "CN_WORD",
      "position" : 4
    },
    {
      "token" : "太棒",
      "start_offset" : 11,
      "end_offset" : 13,
      "type" : "CN_WORD",
      "position" : 5
    },
    {
      "token" : "了",
      "start_offset" : 13,
      "end_offset" : 14,
      "type" : "CN_CHAR",
      "position" : 6
    }
  ]
}

4.2.3 扩展词词典

随着互联网的发展，“造词运动”也越发的频繁。出现了很多新的词语，在原有的词汇列表中并不存在。比如：“奥力给” 等。
所以我们的词汇也需要不断的更新，IK 分词器提供了扩展词汇的功能。

4.2.3.1 打开 IK 分词器 config 目录

在这里插入图片描述

4.2.3.2 在 IKAnalyzer.cfg.xml 配置文件内容添加

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE properties SYSTEM "http://java.sun.com/dtd/properties.dtd">
<properties>
        <comment>IK Analyzer 扩展配置</comment>
        <!--用户可以在这里配置自己的扩展字典 *** 添加扩展词典-->
        <entry key="ext_dict">ext.dic</entry>
</properties>

4.2.3.3 新建一个 ext.dic，可以参考 config 目录下复制一个配置文件进行修改

奥力给

4.2.3.4 重启 elasticsearch

docker restart es

# 查看 日志
docker logs -f elasticsearch

日志中已经成功加载 ext.dic 配置文件

4.2.3.5 测试效果

GET /_analyze
{
  "analyzer": "ik_max_word",
  "text": "小帽学习Java,奥力给！"
}

注意：当前文件的编码必须是 UTF-8 格式，严禁使用 Windows 记事本编辑

4.2.4 停用词词典

在互联网项目中，在网络间传输的速度很快，所以很多语言是不允许在网络上传递的，那么我们在搜索时也应该忽略当前词汇。
IK 分词器也提供了强大的停用词功能，让我们在索引时就直接忽略当前的停用词汇表中的内容。

4.2.4.1 IKAnalyzer.cfg.xml 配置文件内容添加

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE properties SYSTEM "http://java.sun.com/dtd/properties.dtd">
<properties>
        <comment>IK Analyzer 扩展配置</comment>
        <!--用户可以在这里配置自己的扩展字典-->
        <entry key="ext_dict">ext.dic</entry>
         <!--用户可以在这里配置自己的扩展停止词字典  *** 添加停用词词典-->
        <entry key="ext_stopwords">stopword.dic</entry>
</properties>

4.2.4.2 在 stopword.dic 添加停用词

神经病

4.2.4.3 重启 elasticsearch

# 重启服务
docker restart elasticsearch
docker restart kibana

# 查看 日志
docker logs -f elasticsearch

日志中已经成功加载 stopword.dic 配置文件

4.2.4.4 测试效果

GET /_analyze
{
  "analyzer": "ik_max_word",
  "text": "小帽课堂学习Java,神经病都点赞,奥力给！"
}

注意：当前文件的编码必须是 UTF-8 格式，严禁使用 Windows 记事本编辑

4.3 部署 es 集群

部署 es 集群可以直接使用 docker-compose 来完成，不过要求 Linux 虚拟机至少有4G的内存空间。
首先编写一个 docker-compose 文件，内容如下：

version: '2.2'
services:
  es01:
    image: docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.12.1
    container_name: es01
    environment:
      - node.name=es01
      - cluster.name=es-docker-cluster
      - discovery.seed_hosts=es02,es03
      - cluster.initial_master_nodes=es01,es02,es03
      - bootstrap.memory_lock=true
      - "ES_JAVA_OPTS=-Xms512m -Xmx512m"
    ulimits:
      memlock:
        soft: -1
        hard: -1
    volumes:
      - data01:/usr/share/elasticsearch/data
    ports:
      - 9200:9200
    networks:
      - elastic
  es02:
    image: docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.12.1
    container_name: es02
    environment:
      - node.name=es02
      - cluster.name=es-docker-cluster
      - discovery.seed_hosts=es01,es03
      - cluster.initial_master_nodes=es01,es02,es03
      - bootstrap.memory_lock=true
      - "ES_JAVA_OPTS=-Xms512m -Xmx512m"
    ulimits:
      memlock:
        soft: -1
        hard: -1
    volumes:
      - data02:/usr/share/elasticsearch/data
    networks:
      - elastic
  es03:
    image: docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.12.1
    container_name: es03
    environment:
      - node.name=es03
      - cluster.name=es-docker-cluster
      - discovery.seed_hosts=es01,es02
      - cluster.initial_master_nodes=es01,es02,es03
      - bootstrap.memory_lock=true
      - "ES_JAVA_OPTS=-Xms512m -Xmx512m"
    ulimits:
      memlock:
        soft: -1
        hard: -1
    volumes:
      - data03:/usr/share/elasticsearch/data
    networks:
      - elastic

volumes:
  data01:
    driver: local
  data02:
    driver: local
  data03:
    driver: local

networks:
  elastic:
    driver: bridge

Run docker-compose to bring up the cluster:

docker-compose up

4.4 总结

分词器的作用是什么？
- 创建倒排索引时对文档分词
- 用户搜索时，对输入的内容分词
IK 分词器有几种模式？
- ik_smart：智能切分，粗粒度
- ik_max_word：最细切分，细粒度
IK 分词器如何拓展词条？如何停用词条？
- 利用 config 目录的 IkAnalyzer.cfg.xml 文件添加拓展词典和停用词典
- 在词典中添加拓展词条或者停用词条