Python 和 Elasticsearch 构建简易搜索

作者：白宁超

2019年5月24日17:22:41

导读：件开发最大的麻烦事之一就是环境配置，操作系统设置，各种库和组件的安装。只有它们都正确，软件才能运行。如果从一种操作系统里面运行另一种操作系统，通常我们采取的策略就是引入虚拟机，比如在 Windows 系统里面运行 Linux 系统。这种方式有个很大的缺点就是资源占用多、冗余步骤多、启动慢。目前最流行的 Linux 容器解决方案之一就是Docker，它最大优点就是轻量、资源占用少、启动快。本文从什么是Docker？Docker解决什么问题？有哪些好处？如何去部署实现去全面介绍。

1 ES基本介绍

1.1 概念介绍

Elasticsearch是一个基于Lucene库的搜索引擎。它提供了一个分布式、支持多租户的全文搜索引擎，它可以快速地储存、搜索和分析海量数据。Elasticsearch可以用于搜索各种文档。它提供可扩展的搜索，具有接近实时的搜索，并支持多租户。Elasticsearch至少需要Java 8。Elasticsearch是分布式的，这意味着索引可以被分成分片，每个分片可以有0个或多个副本。每个节点托管一个或多个分片，并充当协调器将操作委托给正确的分片。相关数据通常存储在同一个索引中，该索引由一个或多个主分片和零个或多个复制分片组成。一旦创建了索引，就不能更改主分片的数量。

• 集群(Cluster)：集群是一个或多个节点（服务器）的集合，它们共同保存您的整个数据，并提供跨所有节点的联合索引和搜索功能。本质上是一个分布式数据库，允许多台服务器协同工作，每台服务器可以运行多个 Elastic 实例。单个 Elastic 实例称为一个节点（node）。一组节点构成一个集群（cluster）。

• 节点（Node）：节点是作为集群一部分的单个服务器，存储数据并参与群集的索引和搜索功能。

• 索引（Index）：索引是具有某些类似特征的文档集合。索引由名称标识（必须全部小写），此名称用于在对其中的文档执行索引，搜索，更新和删除操作时引用索引。 数据管理的顶层单位就叫做 Index（索引）。它是单个数据库的同义词。每个 Index （即数据库）的名字必须是小写。

• 文档（Document）：文档是可以编制索引的基本信息单元。Index 里面单条的记录称为 Document（文档）。许多条 Document 构成了一个 Index。Document 使用 JSON 格式表示，同一个 Index 里面的 Document，不要求有相同的结构（scheme），但是最好保持相同，这样有利于提高搜索效率。

• 分片和副本（Shards & Replicas）：索引可能存储大量可能超过单个节点的硬件限制的数据。为了解决这个问题，Elasticsearch提供了将索引细分为多个称为分片的功能。创建索引时，只需定义所需的分片数即可。每个分片本身都是一个功能齐全且独立的“索引”，可以托管在集群中的任何节点上。
• 副本集很重要：它在分片/节点发生故障时提供高可用性。它允许您扩展搜索量/吞吐量，因为可以在所有副本上并行执行搜索。默认情况下，Elasticsearch中的每个索引都分配了5个主分片和1个副本，这意味着如果群集中至少有两个节点，则索引将包含5个主分片和另外5个副本分片（1个完整副本），总计为每个索引10个分片。

1.2 应用场景

• 在线网上商店，允许客户搜索您销售的产品。在这种情况下，可以使用Elasticsearch存储整个产品目录和库存，并为它们提供搜索和自动填充建议。
• 收集日志或交易数据，并分析和挖掘此数据以查找趋势，统计信息，摘要或异常。在这种情况下，您可以使用Logstash（Elasticsearch / Logstash / Kibana堆栈的一部分）来收集，聚合和解析数据，然后让Logstash将此数据提供给Elasticsearch。一旦数据在Elasticsearch中，您就可以运行搜索和聚合来挖掘您感兴趣的任何信息。
• 价格警报平台，允许精通价格的客户指定一条规则，例如“我有兴趣购买特定的电子产品，如果小工具的价格在下个月内从任何供应商降至X美元以下，我希望收到通知” 。在这种情况下，您可以刮取供应商价格，将其推入Elasticsearch并使用其反向搜索功能来匹配价格变动与客户查询，并最终在发现匹配后将警报推送给客户。

1.3 核心模块

• analysis：主要负责词法分析及语言处理，也就是我们常说的分词，通过该模块可最终形成存储或者搜索的最小单元 Term。
• index 模块：主要负责索引的创建工作。
• store 模块：主要负责索引的读写，主要是对文件的一些操作，其主要目的是抽象出和平台文件系统无关的存储。
• queryParser 模块：主要负责语法分析，把我们的查询语句生成 Lucene 底层可以识别的条件。
• search 模块：主要负责对索引的搜索工作。
• similarity 模块：主要负责相关性打分和排序的实现。

1.4 检索方式

• 单个词查询：指对一个 Term 进行查询。比如，若要查找包含字符串“Lucene”的文档，则只需在词典中找到 Term“Lucene”，再获得在倒排表中对应的文档链表即可。
• AND：指对多个集合求交集。比如，若要查找既包含字符串“Lucene”又包含字符串“Solr”的文档，则查找步骤如下：在词典中找到 Term “Lucene”，得到“Lucene”对应的文档链表。在词典中找到 Term “Solr”，得到“Solr”对应的文档链表。合并链表，对两个文档链表做交集运算，合并后的结果既包含“Lucene”也包含“Solr”。
• OR：指多个集合求并集。比如，若要查找包含字符串“Luence”或者包含字符串“Solr”的文档，则查找步骤如下：在词典中找到 Term “Lucene”，得到“Lucene”对应的文档链表。在词典中找到 Term “Solr”，得到“Solr”对应的文档链表。合并链表，对两个文档链表做并集运算，合并后的结果包含“Lucene”或者包含“Solr”。
• NOT：指对多个集合求差集。比如，若要查找包含字符串“Solr”但不包含字符串“Lucene”的文档，则查找步骤如下：在词典中找到 Term “Lucene”，得到“Lucene”对应的文档链表。在词典中找到 Term “Solr”，得到“Solr”对应的文档链表。合并链表，对两个文档链表做差集运算，用包含“Solr”的文档集减去包含“Lucene”的文档集，运算后的结果就是包含“Solr”但不包含“Lucene”。

通过上述四种查询方式，我们不难发现，由于 Lucene 是以倒排表的形式存储的。所以在 Lucene 的查找过程中只需在词典中找到这些 Term，根据 Term 获得文档链表，然后根据具体的查询条件对链表进行交、并、差等操作，就可以准确地查到我们想要的结果。相对于在关系型数据库中的“Like”查找要做全表扫描来说，这种思路是非常高效的。虽然在索引创建时要做很多工作，但这种一次生成、多次使用的思路也是很高明的。

1.5 ES特性

• Elasticsearch可扩展高达PB级的结构化和非结构化数据。
• Elasticsearch可以用来替代MongoDB和RavenDB等做文档存储。
• Elasticsearch使用非标准化来提高搜索性能。
• Elasticsearch是受欢迎的企业搜索引擎之一，目前被许多大型组织使用，如Wikipedia，The Guardian，StackOverflow，GitHub等。
• Elasticsearch是开放源代码，可在Apache许可证版本2.0下提供。

1.6 ES优点

• Elasticsearch是基于Java开发的，这使得它在几乎每个平台上都兼容。
• Elasticsearch是实时的，换句话说，一秒钟后，添加的文档可以在这个引擎中搜索得到。
• Elasticsearch是分布式的，这使得它易于在任何大型组织中扩展和集成。
• 通过使用Elasticsearch中的网关概念，创建完整备份很容易。
• 与Apache Solr相比，在Elasticsearch中处理多租户非常容易。
• Elasticsearch使用JSON对象作为响应，这使得可以使用不同的编程语言调用Elasticsearch服务器。
• Elasticsearch支持几乎大部分文档类型，但不支持文本呈现的文档类型。

1.7 ES缺点

• Elasticsearch在处理请求和响应数据方面没有多语言和数据格式支持(仅在JSON中可用)，与Apache Solr不同，Elasticsearch不可以使用CSV，XML等格式。
• Elasticsearch也有一些伤脑的问题发生，虽然在极少数情况下才会发生。

2 ES的安装部署

本文主要采用Win10下的Elasticsearch安装，当然Linux安装操作起来更加简便了。完成之后对python安装elasticsearch包，并实现交互案例。

第一步：条件检查：Elasticsearch至少需要Java 8，首先需要java -version查看当前版本。

第二步：安装ES，这里采用elasticsearch-7.1.0-windows-x86_64下载地址链接: https://pan.baidu.com/s/1k5AOGpMy8uJEXtA6KoNb7g 提取码: qtmj 。

bin  ：运行Elasticsearch实例和插件管理所需的脚本
confg: 配置文件所在的目录
lib  : Elasticsearch使用的库
data : Elasticsearch使用的所有数据的存储位置
logs : 关于事件和错误记录的文件
plugins:  存储所安装插件的地方，比如中文分词工具
work   : Elasticsearch使用的临时文件，这个文件我这暂时好像没有，可以根据配置文件来 配置这些个文件的目录位置，比如上面的data，logs，

然后去运行 bin/elasticsearch（Mac 或 Linux）或者 bin\elasticsearch.bat (Windows) 即可启动 Elasticsearch 了。我们启动后发现网页并不现实信息，测试下本地网络是否联通：

发现是一般性故障，查询资料显示由于防火墙的问题，经过测试关闭”公用网络防火墙“即可：

之后我们再去ping下本地IP:

这时已经显示ping通状态，再次启动bin\elasticsearch.bat (Windows)，打开http://localhost:9200/显示如下表示成功安装ES。

第三步：Python安装ES， 下载地址是https://www.elastic.co/downloads/elasticsearch。如果在windows下安排部署参考文章http://www.cnblogs.com/viaiu/p/5715200.html。如果是Python开发可以使用pip install elasticsearch安装。

3 Python和ES构建搜索引擎

插入数据：打开python运行环境，首先导入【from elasticsearch import Elasticsearch】，然后编写插入数据的方法：

# 插入数据
def InsertDatas():# 默认host为localhost,port为9200.但也可以指定host与portes = Elasticsearch()es.create(index="my_index",doc_type="test_type",id=11,ignore=[400,409],body={"name":"python","addr":'四川省'})# 查询结果result = es.get(index="my_index",doc_type="test_type",id=11)print('单条数据插入完成：\n',result)

实例化Elasticsearch，其中默认为空即host为localhost,port为9200。为空也可以指定网络IP与端口。通过创建索引index和文档类别doc_type，文档id，body为插入数据的内容,其中ES支持的数据仅为JSON类型，ignore=409忽略异常。运行结果如下：

批量插入数据：上面案例我们插入一条信息，查询显示一系列参数包括索引、文档类型、文档ID唯一标识，版本号等。其中资源中包含数据信息，如果我们想插入多条信息可以参考以下代码：

# 批量插入数据
def AddDatas():es = Elasticsearch()datas = [{'name': '美国留给伊拉克的是个烂摊子','addr': 'http://view.news.qq.com/zt2011/usa_iraq/index.htm'},{"name":"python","addr":'四川省'}]for i,data in enumerate(datas):es.create(index="my_index",doc_type="test_type",id=i,ignore=[400,409],body=data)# 查询结果result = es.get(index="my_index",doc_type="test_type",id=0)print('\n批量插入数据完成：\n',result['_source'])

我们将数据放在datas列表中，如果我们数据在一个json文件中存储，也可以通过读取文本信息并保存在datas中，之后对其进行插入即可。这里面文件ID我采用枚举的序号，也可以采用随机数或者指定格式。完成所有插入之后我们选择第一条id=0的信息查询，此处查询与上文不同，我们只看文章内容可以采用result['_source']方法，结果如下：

更新数据：如果我们插入数据信息有问题，我们想去修正。可以采用update方法，这里面与我们接触的MySQL，MongoDB等SQL语句差不多。唯一注意的是我们更新数据时候采用{"doc":{"name":"python1","addr":"深圳1"}}字典模式，尤其是doc标识不能忘记，代码实现如下：

# 3 更新数据
def UpdateDatas():es = Elasticsearch()es.update(index="my_index",doc_type="test_type",id=11,ignore=[400,409],body={"doc":{"name":"python1","addr":"深圳1"}})# 更新结果result = es.get(index="my_index",doc_type="test_type",id=11)print('\n数据id=11更新完成：\t',result['_source']['name'])

这里我们假如只想查询更新后信息的name字段，可以采用source后面加['name']方法，为什么这么设置呢？请参看插入数据运行结果分析。

删除数据：这里面比较简单，我们指定文档的索引、文档类型和文档ID即可。

# 删除数据
def DeleteDatas():es = Elasticsearch()result = es.delete(index='my_index',doc_type='test_type',id=11)print('\n数据id=11删除完成：\t')

条件查询数据：我们通过插入数据构建一个简单我数据信息，如果我们想获取索引中的所有文档可以采用{"query":{"match_all":{}}}条件查询，这里面指定关注的是使用的search方法，上文查询数据采用get方法，其实两者都是可以作为查询使用的。代码如下：

# 条件查询
def ParaSearch():es = Elasticsearch()query1 = es.search(index="my_index", body={"query":{"match_all":{}}})print('\n查询所有文档\n',query1)
​query2 = es.search(index="my_index", body={"query":{"term":{'name':'python'}}})print('\n查找名字Python的文档:\n',query2['hits']['hits'][0])

我们获取索引所有文档的信息

获取文档中name为Python的信息

4 技术交流共享QQ群

【机器学习和自然语言QQ群：436303759】：

机器学习和自然语言（QQ群号：436303759）是一个研究深度学习、机器学习、自然语言处理、数据挖掘、图像处理、目标检测、数据科学等AI相关领域的技术群。其宗旨是纯粹的AI技术圈子、绿色的交流环境。本群禁止有违背法律法规和道德的言谈举止。群成员备注格式：城市-自命名。微信订阅号：datathinks