Redis 如何實(shí)現(xiàn)輕量級(jí)的搜索引擎

場(chǎng)景

大家如果是做后端開(kāi)發(fā)的，想必都實(shí)現(xiàn)過(guò)列表查詢的接口，當(dāng)然有的查詢條件很簡(jiǎn)單，一條 SQL 就搞定了，但有的查詢條件極其復(fù)雜，再加上庫(kù)表中設(shè)計(jì)的各種不合理，導(dǎo)致查詢接口特別難寫(xiě)，然后加班什么的就不用說(shuō)了（不知各位有沒(méi)有這種感受呢~）。

下面以一個(gè)例子開(kāi)始，這是某購(gòu)物網(wǎng)站的搜索條件，如果讓你實(shí)現(xiàn)這樣的一個(gè)搜索接口，你會(huì)如何實(shí)現(xiàn)？（當(dāng)然你說(shuō)借助搜索引擎，像 Elasticsearch 之類的，你完全可以實(shí)現(xiàn)。但我這里想說(shuō)的是，如果要你自己實(shí)現(xiàn)呢？）

從上圖中可以看出，搜索總共分為6大類，每大類中又分了各個(gè)子類。這中間，各大類條件之間是取的交集，各子類中有單選、多選、以及自定義的情況，最終輸出符合條件的結(jié)果集。

好了，既然需求很明確了，我們就開(kāi)始來(lái)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)1

率先登場(chǎng)是小A同學(xué)，他是寫(xiě) SQL 方面的“專家”。小A信心滿滿的說(shuō)：“不就是一個(gè)查詢接口嗎？看著條件很多，但憑著我豐富的 SQL 經(jīng)驗(yàn)，這點(diǎn)還是難不倒我的。”

于是乎就寫(xiě)出了下面這段代碼（這里以 MYSQL 為例）：

select?...?from?table_1
left?join?table_2
left?join?table_3
left?join?(select?...?from?table_x?where?...)?tmp_1
...
where?...
order?by?...
limit?m,n

代碼在測(cè)試環(huán)境跑了一把，結(jié)果好像都匹配上了，于是準(zhǔn)備上預(yù)發(fā)。這一上預(yù)發(fā)，問(wèn)題就開(kāi)始暴露出來(lái)。預(yù)發(fā)為了盡可能的逼真線上環(huán)境，所以數(shù)據(jù)量自然而然要比測(cè)試大的多。所以這么一個(gè)復(fù)雜的 SQL，它的執(zhí)行效率可想而知。測(cè)試同學(xué)果斷把小A的代碼給打了回來(lái)。

實(shí)現(xiàn)2

總結(jié)了小A失敗的教訓(xùn)，小B開(kāi)始對(duì)SQL進(jìn)行了優(yōu)化，先是通過(guò)了explain關(guān)鍵字進(jìn)行SQL性能分析，對(duì)該加索引的地方都加上了索引。同時(shí)將一條復(fù)雜SQL拆分成了多條SQL，計(jì)算結(jié)果在程序內(nèi)存中進(jìn)行計(jì)算。

偽代碼如下：

$result_1?=?query('select?...?from?table_1?where?...');
$result_2?=?query('select?...?from?table_2?where?...');
$result_3?=?query('select?...?from?table_3?where?...');
...

$result?=?array_intersect($result_1,?$result_2,?$result_3,?...);

這種方案從性能上明顯比第一種要好很多，可是在功能驗(yàn)收的時(shí)候，產(chǎn)品經(jīng)理還是覺(jué)得查詢速度不夠快。小B自己也知道，每次查詢都會(huì)向數(shù)據(jù)庫(kù)查詢多次，而且有些歷史原因，部分條件是做不到單表查詢的，所以查詢等待的時(shí)間是避免不了的。

實(shí)現(xiàn)3

小C從上面的方案中看到了優(yōu)化的空間。他發(fā)現(xiàn)小B在思路上是沒(méi)問(wèn)題的，將復(fù)雜條件拆分，計(jì)算各個(gè)子維度的結(jié)果集，最后將所有的子結(jié)果集進(jìn)行一個(gè)匯總合并，得到最終想要的結(jié)果。

于是他突發(fā)奇想，能否事先將各個(gè)子維度的結(jié)果集給緩存起來(lái)，這要查詢的時(shí)候直接去取想要的子集，而不用每次去查庫(kù)計(jì)算。

這里小C采用 Redis 來(lái)存儲(chǔ)緩存數(shù)據(jù)，用它的主要原因是，它提供了多種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且在 Redis 中進(jìn)行集合的交并集操作是一件很容易的事情。

具體方案，如圖所示：

這里每個(gè)條件都事先將計(jì)算好的結(jié)果集ID存入對(duì)應(yīng)的key中，選用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是集合（Set）。查詢操作包括：

• 子類單選：直接根據(jù)條件 key，獲取對(duì)應(yīng)結(jié)果集；
• 子類多選：根據(jù)多個(gè)條件 Key，進(jìn)行并集操作，獲取對(duì)應(yīng)結(jié)果集；
• 最終結(jié)果：將獲取的所有子類結(jié)果集進(jìn)行交集操作，得到最終結(jié)果；

*這其實(shí)就是所謂的反向索引。 *

這里會(huì)發(fā)現(xiàn)，漏了一個(gè)價(jià)格的條件。從需求中可知，價(jià)格條件是個(gè)區(qū)間，并且是無(wú)窮舉的。所以上述的這種窮舉條件的 Key-Value 方式是做不到的。這里我們采用 Redis 的另一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，有序集合（Sorted Set）：

將所有商品加入 Key 為價(jià)格的有序集合中，值為商品ID，每個(gè)值對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)為商品價(jià)格的數(shù)值。這樣在 Redis 的有序集合中就可以通過(guò)ZRANGEBYSCORE命令，根據(jù)分?jǐn)?shù)（價(jià)格）區(qū)間，獲取相應(yīng)結(jié)果集。

至此，方案三的優(yōu)化已全部結(jié)束，將數(shù)據(jù)的查詢與計(jì)算通過(guò)緩存的手段，進(jìn)行了分離。在每次查找時(shí)，只需要簡(jiǎn)單的查找 Redis 幾次就能得出結(jié)果。查詢速度上符合了驗(yàn)收的要求。

擴(kuò)展

分頁(yè)

這里你或許發(fā)現(xiàn)了一個(gè)嚴(yán)重的功能缺陷，列表查詢?cè)趺茨軟](méi)有分頁(yè)。是的，我們馬上來(lái)看 Redis 是如何實(shí)現(xiàn)分頁(yè)的。

分頁(yè)主要涉及排序，這里簡(jiǎn)單起見(jiàn)，就以創(chuàng)建時(shí)間為例。

如圖所示：

圖中藍(lán)色部分是以創(chuàng)建時(shí)間為分值的商品有序集合，藍(lán)色下方的結(jié)果集即為條件計(jì)算而得的結(jié)果，通過(guò)ZINTERSTORE命令，賦結(jié)果集權(quán)重為0，商品時(shí)間結(jié)果為1，取交集而得的結(jié)果集賦予創(chuàng)建時(shí)間分值的新有序集合。對(duì)新結(jié)果集的操作即能得到分頁(yè)所需的各個(gè)數(shù)據(jù)：

• 頁(yè)面總數(shù)為：ZCOUNT命令
• 當(dāng)前頁(yè)內(nèi)容：ZRANGE命令
• 若以倒序排列：ZREVRANGE命令

數(shù)據(jù)更新

關(guān)于索引數(shù)據(jù)更新的問(wèn)題，有兩種方式來(lái)進(jìn)行。一種是通過(guò)商品數(shù)據(jù)的修改，來(lái)即時(shí)觸發(fā)更新操作，一種是通過(guò)定時(shí)腳本來(lái)進(jìn)行批量更新。這里要注意的是，關(guān)于索引內(nèi)容的更新，如果暴力的刪除 Key，再重新設(shè)置 Key。因?yàn)?Redis 中兩個(gè)操作不會(huì)是原子性進(jìn)行的，所以中間可能存在空白間隙，建議采用僅移除集合中失效元素，添加新元素的方式進(jìn)行。

性能優(yōu)化

Redis 是內(nèi)存級(jí)操作，所以單次的查詢會(huì)很快。但是如果我們的實(shí)現(xiàn)中會(huì)進(jìn)行多次的 Redis 操作，Redis 的多次連接時(shí)間可能是不必要時(shí)間消耗。通過(guò)使用MULTI命令，開(kāi)啟一個(gè)事務(wù)，將 Redis 的多次操作放在一個(gè)事務(wù)中，最后通過(guò)EXEC來(lái)進(jìn)行原子性執(zhí)行（*注意：這里所謂的事務(wù)，只是將多個(gè)操作在一次連接中執(zhí)行，如果執(zhí)行過(guò)程中遇到失敗，是不會(huì)回滾的 *）。

總結(jié)

這里只是一個(gè)采用 Redis 優(yōu)化查詢搜索的一個(gè)簡(jiǎn)單 Demo，和現(xiàn)有的開(kāi)源搜索引擎相比，它更輕量，學(xué)習(xí)成本頁(yè)相應(yīng)低些。其次，它的一些思想與開(kāi)源搜索引擎是類似的，如果再加上詞語(yǔ)解析，也可以實(shí)現(xiàn)類似全文檢索的功能。

最后，未完，待續(xù)。。。