クライアントを作って学ぶElasticsearch

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概要 
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Elasticsearchは、オープソースの高スケーラブルな全文検索および分析エンジンです。
大容量のデータをすばやく、ほぼリアルタイムで保存、検索、分析できます。
通常、検索の機能と要件が複雑なアプリケーションを強化する基礎となるエンジン/技術として使用されます。
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(公式ドキュメントより引用)

上記説明にもあるように、Elasticsearchはデータベースの一種です。ただ、リレーショナルデータベースと違い、テーブル定義を決めずとも、データを出し入れすることができます(NoSQL)。また全文検索エンジンを利用できるので、大量の文章に対して分析を掛けることもできます。

ところで、ElasticsearchにはREST APIからアクセスすることができます。つまり、JavaScriptから叩いて利用することができるはずです。そこで、Elasticsearchにアクセスすることを通じ、「書籍についての情報を登録・検索するWebアプリ」を作成してみます。

※説明の都合上、Webフロントエンド開発には、TypeScript+React+Bootstrap4を使うものとします

Elasticsearchの環境構築

Dockerを利用するのが手っ取り早いでしょう。公式ドキュメントによると、https://www.docker.elastic.coからDockerイメージをpullしろとありますので、現在(2020/04/24)時点で最新のものをpullしておきます。

docker pull docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.6.2

また、日本語による全文検索エンジンを使用したいので、analysis-kuromojiをコンテナ作成時にインストールしておくことにします。Docker利用の場合、Dockerfileにインストールコマンドを記述しておくと良いでしょう。

FROM docker.elastic.co/elasticsearch/elasticsearch:7.6.2
RUN elasticsearch-plugin install analysis-kuromoji

その上で、Docker-composeにより、環境を構築します。公式ドキュメントの記述を参考に、Dockerfileと同じディレクトリに、docker-compose.ymlを記述します。

  • 公式ドキュメントのものとの差異：
    • コンテナ作成時の設定を、DockerイメージそのままではなくDockerfile由来にした
    • デフォルトではCORSの問題があるので、外部オリジンからのアクセスを許可した
    • 「version: '2.2'」を「version: '3'」にした
version: '3'
services:
  es01:
    build: .
    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"
      - http.cors.allow-origin=*
      - http.cors.enabled=true
    ulimits:
      memlock:
        soft: -1
        hard: -1
    volumes:
      - data01:/usr/share/elasticsearch/data
    ports:
      - 9200:9200
    networks:
      - elastic
  es02:
    build: .
    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"
      - http.cors.allow-origin=*
      - http.cors.enabled=true
    ulimits:
      memlock:
        soft: -1
        hard: -1
    volumes:
      - data02:/usr/share/elasticsearch/data
    networks:
      - elastic
  es03:
    build: .
    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"
      - http.cors.allow-origin=*
      - http.cors.enabled=true
    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

後は、コンテナをビルドして起動することで、Elasticsearch側の設定は完了です。

docker-compose build
docker-compose up -d
Webフロントエンドを作成

データ構造

書籍データについてですが、次のような情報を参照するものとします。

interface Book {
  id: string;
  title: string;        // 書名
  author: string;       // 著者
  editor?: string;      // 編集者(著者＝編集者の場合は不要)
  drawer?: string;      // 作画(著者＝作画の場合は不要)
  translator?: string;  // 翻訳者(いない場合は不要)
  publisher: string;    // 出版社(同人誌の場合はサークル名)
  summary: string;      // 概要
  url: string;          // URL(販売元など)
}

ここで重要なのは、editorとdrawerが、TypeScriptにおける「string | undefined」型だということです。つまり定義されていないことがあります。

リレーショナルデータベースの場合は、undefinedであることを表現するため、NULL許容にするか、空文字列を入れていたところでした。しかしElasticsearchの場合、そのことを「単にそのキーの値が入っていない」ということで表現できます(詳しくは後述します)。

表示用のフォームを作成

ReactなのでFunctional Componentを構築することになります。

import React from 'react';

// サンプル書籍データ
const SAMPLE_BOOK_LIST: Book[] = [
  { id: '1', title: 'こころ', author: '夏目漱石', publisher: '集英社',
  summary: '教科書では第三部のみ収録されがちな、夏目漱石の代表作。\n「わたし」と「先生」との交流、そして「先生」の告白を描く。',
  url: 'https://www.aozora.gr.jp/cards/000148/card773.html' },
  { id: '2', title: '走れメロス', author: '太宰治', publisher: '筑摩書房',
  summary: '著者の自堕落な実体験が元ネタらしい、太宰治の代表作。\n愛と誠の力を、いまこそ知らせてやるがよい。',
  url: 'https://www.aozora.gr.jp/cards/000035/card1567.html' },
  { id: '3', title: 'あなうさピーターのはなし', author: 'Potter, Beatrix',
  drawer: 'Potter, Beatrix', translator: '大久保 ゆう', publisher: '(不明)',
  summary: 'おとうさんがパイにされたことで有名な、ピーターラビットシリーズの一作。\n調べるまで、まさか青空文庫に収録されているとは思っていませんでした。',
  url: 'https://www.aozora.gr.jp/cards/001505/card51344.html' },
];

// 表示する書籍データのテーブルレコード
const BookTableRecord: React.FC<{book: Book}> = ({book}) => {
  let bookAuthor = book.author;
  if (book.editor !== undefined || book.drawer !== undefined || book.translator !== undefined) {
    bookAuthor = `著：${book.author}`;
    if (book.editor !== undefined) {
      bookAuthor += `\n編：${book.editor}`;
    }
    if (book.drawer !== undefined) {
      bookAuthor += `\n作画：${book.drawer}`;
    }
    if (book.translator !== undefined) {
      bookAuthor += `\n翻訳：${book.translator}`;
    }
  }

  return <tr>
    <td className="align-middle"><a href={book.url} target="_blank" rel="noopener noreferrer">{book.title}</a></td>
    <td className="align-middle"><pre className="text-left mb-0">{bookAuthor}</pre></td>
    <td className="align-middle">{book.publisher}</td>
    <td className="align-middle"><pre className="text-left mb-0">{book.summary}</pre></td>
  </tr>;
};

// 全体表示
const App: React.FC = () => {
  return (
    <div className="container">
      <div className="row my-3">
        <div className="col text-center">
          <h1>書籍DB</h1>
        </div>
      </div>
      <div className="row my-3">
        <div className="col text-center">
          <table className="table table-condensed table-bordered">
            <thead>
              <tr>
                <th>書名</th>
                <th>著者</th>
                <th>出版社</th>
                <th>概要</th>
              </tr>
            </thead>
            <tbody>
              {SAMPLE_BOOK_LIST.map((book) => <BookTableRecord key={book.id} book={book} />)}
            </tbody>
          </table>
        </div>
      </div>
    </div>
  );
}

ここまでで、次の画像のように、一覧が表示できるようになりました。著者列については、入力値によって変化させるように工夫しています。

image-1.png

データの投入処理

実装に入る前に、リレーショナルデータベースとElasticsearchにおける用語の違いについて整理しましょう。

RDB Elasticsearch
データベース Cluster
テーブル Index
レコード Document
カラム Fields
プライマリーキー (任意の型が0個以上) Document ID (文字列型が1個)

また、Elasticsearchの場合、リレーショナルデータベースと違い、次のような差異があります。

  • データ挿入時、IDを指定しなくても挿入可能(RDBのAUTO_INCREMENTに相当)。自動挿入されるIDは連番の整数ではなく、ランダムな文字列となる
  • Fieldsにおける各キーは、Document毎に一定でなくてもいい
  • Indexをあらかじめ作成していなくても、いきなり任意の名称のIndexに挿入可能。事前にIndexを作成することもできる

それを踏まえた上で、次のcurlコマンドとSQL文をご覧ください。どちらも、「インデックスbook_indexのID=1に対してレコードを挿入する」処理を実行しています。

# curlコマンド(Elasticsearch)
curl -X PUT "http://localhost:9200/book_index/_doc/1" -H 'Content-Type: application/json' -d'
{
  "title": "銀河鉄道の夜",
  "author": "宮沢賢治",
  "publisher": "筑摩書房"
}
'

# SQLコマンド(リレーショナルデータベース)
INSERT INTO book_index (id, title, author, publisher) VALUES (1, '銀河鉄道の夜', '宮沢賢治', '筑摩書房');

こういった動きをTypeScriptで実装すると、例えばこんな感じになります(フォーム側の実装は割愛)。

// 送信メソッド
const postDocument = async (book: Book) => {
  // 送信用データを準備する
  const data: { [key: string]: any } = {};
  data['title'] = book.title;
  data['author'] = book.author;
  data['publisher'] = book.publisher;
  data['summary'] = book.summary;
  data['url'] = book.url;
  if (book.editor !== '') {
    data['editor'] = book.editor;
  }
  if (book.drawer !== '') {
    data['drawer'] = book.drawer;
  }
  if (book.translator !== '') {
    data['translator'] = book.translator;
  }

  // 送信処理(ID未指定なのでPOSTでないと駄目)
  const temp = await fetch(`${SERVER_URL}/book_index/_doc/`, {
    mode: 'cors',
    method: 'POST',
    body: JSON.stringify(data),
    headers: {
      'Content-Type': 'application/json'
    }
  });
  if (temp.ok) {
    window.alert('追加しました。');
  } else {
    window.alert('追加できませんでした.');
  }
};

データの検索処理

こちらもREST APIで実行できます。戻り値はJSONなので、hits.hitsキーにアクセスすれば、検索結果が得られます。ただし、Elasticsearchの場合、デフォルトでは検索結果の先頭10件だけを返します。全件取得したい場合は、次の記事が参考になるでしょう。

　elasticserch で全件データを取得する

# curlコマンド(Elasticsearch)
curl -X GET "localhost:9200/book_index/_search" -H 'Content-Type: application/json' -d'
{
  "query": { "match_all": {} }
}
'

# SQLコマンド(リレーショナルデータベース)
SELECT * FROM book_index AS A ORDER BY A._score DESC LIMIT 10;

// curlコマンドの戻り値(レスポンスボディ)
{
  "took": 320,
  "timed_out": false,
  "_shards": {
    "total": 1,
    "successful": 1,
    "skipped": 0,
    "failed": 0
  },
  "hits": {
    "total": {
      "value": 4,
      "relation": "eq"
    },
    "max_score": 1,
    "hits": [
      {
        "_index": "book_index",
        "_type": "_doc",
        "_id": "Wll1unEBOqfY_dggX89b",
        "_score": 1,
        "_source": {
          "title": "銀河鉄道の夜",
          "author": "宮沢賢治",
          "publisher": "筑摩書房",
          "summary": "ジョバンニが銀河鉄道を通じ、生きる意味を知る宮沢賢治の名作。\n映画で擬人化した猫になったのは有名だが、原作では普通の人間である。",
          "url": "https://www.aozora.gr.jp/cards/000081/card43737.html"
        }
      }
    ]
  }
}

今回の案件について、データの取得コードをTypeScriptで実装すると、こんな感じになります。sizeパラメーターで取得件数を増やせるので、とりあえず大きめの値を指定しています(真面目にscrollさせる処理を実装するのは大変なので)。なおGETではなくPOSTを投げているのは、TypeScript(JavaScript)の仕様上、GETにリクエストボディを含ませることができないからです。

const getDocuments = async (): Promise<Book[]> => {
  const temp = await fetch(`${SERVER_URL}/book_index/_search`, {
    mode: 'cors',
    method: 'POST',
    body: JSON.stringify({"query": { "match_all": {} }, "size": 100,}),
    headers: {
      'Content-Type': 'application/json'
    }
  });

  if (temp.ok) {
    const response = await temp.json();
    return response['hits']['hits'].map((record: any) => record['_source'] as Book);
  } else {
    return [];
  }
};

全文検索エンジンを使用する

検索時の設定としては、キーワード指定や範囲指定など、多様なオプションが存在します。詳しくは公式ドキュメントのこのページを読むといいでしょう。

　Request Body Search | Elasticsearch Reference

これを使うと、簡単に全文検索させることができます。

curl -X GET "localhost:9200/book_index/_search" -H 'Content-Type: application/json' -d'
{
  "query": { "match": {"summary": "映画"} }, "size": 1
}
' | jq
  % Total    % Received % Xferd  Average Speed   Time    Time     Time  Current
                                 Dload  Upload   Total   Spent    Left  Speed
100   672  100   610  100    62   3674    373 --:--:-- --:--:-- --:--:--  4048
{
  "took": 126,
  "timed_out": false,
  "_shards": {
    "total": 1,
    "successful": 1,
    "skipped": 0,
    "failed": 0
  },
  // 中略
}

クライアントに実装するとすると、例えばこんな感じになるでしょう。

const getDocuments = async (keyword: string): Promise<Book[]> => {
  let requestBody: any = { "query": { "match_all": {} }, "size": 100, };
  if (keyword !== '') {
    requestBody = { "query": { "match": {"summary": keyword} }, "size": 100, };
  }
  const temp = await fetch(`${SERVER_URL}/book_index/_search`, {
    mode: 'cors',
    method: 'POST',
    body: JSON.stringify(requestBody),
    headers: {
      'Content-Type': 'application/json'
    }
  });

  if (temp.ok) {
    const response = await temp.json();
    return response['hits']['hits'].map((record: any) => record['_source'] as Book);
  } else {
    return [];
  }
};

例によってフォームの追加実装は端折りますが、最終的に次のようなアプリが完成しました。

image-2.png

参考資料
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