ElasticSearch ‐ Managing Document (2)

Create — 문서 생성

POST /my_index/_doc/100
{
  "title": "Elasticsearch Advanced",
  "author": "Anthony K",
  "publish_date": "2024-05-20",
  "tags": ["search", "analytics"]
}

• 경로는 /{인덱스}/_doc/{문서 ID} 형태다.
• 본문은 JSON 문서 전체를 그대로 보낸다.

Retrieve — 문서 조회

GET /my_index/_doc/100

• 경로 마지막의 100이 Document Id다.
• ID를 알면 해당 문서 하나를 바로 가져온다.

Update — 문서 수정

기존 필드 수정

POST /my_index/_update/100
{
  "doc": {
    "author": "Anthony K2"
  }
}

새 필드 추가

POST /my_index/_update/100
{
  "doc": {
    "price": 100
  }
}

• _doc이 아니라 _update 엔드포인트를 쓴다.
• 바꿀 내용을 doc 안에 담는다. 기존 필드 수정과 새 필드 추가가 같은 문법이다.

문서는 불변(IMMUTABLE)이다

• 수정 요청이 들어와도 문서를 제자리에서 고치지 않는다. Elasticsearch 내부에서는 아래 순서로 처리한다.

1. 기존 문서 조회(Fetch) — 인덱스에서 현재 버전의 문서를 가져온다.
2. 변경 적용(Apply Changes) — 가져온 문서에 요청한 변경을 반영한다.
3. 새 문서로 색인(Index) — 수정된 문서를 새 버전으로 색인한다.
4. 기존 문서 삭제 표시(Mark as Deleted) — 이전 버전은 논리적 삭제(logical deletion) 처리한다. 인덱스에 남아 있되 삭제 플래그가 붙고 검색 대상에서 제외된다.
5. 세그먼트 병합(Segment Merging) — 백그라운드 작업이 삭제 표시된 문서를 물리적으로 제거하고 공간을 회수한다.

불변성의 이점

• 일관성(Consistency) — 제자리 수정을 하지 않으므로 분산 환경에서 race condition과 데이터 손상을 피할 수 있다.
• 버전 관리(Versioning) — 수정할 때마다 새 버전이 생기므로 동시 수정 관리가 쉽고, optimistic concurrency control 같은 기능을 제공할 수 있다.
• 성능(Performance) — Elasticsearch는 append-only 워크로드에 최적화되어 있어 색인과 검색 성능에 유리하다.

Delete — 문서 삭제

# delete a document
DELETE /my_index/_doc/100

# flush a document
POST /my_index/_flush

• DELETE도 즉시 물리 삭제가 아니라 삭제 표시다. 실제 제거는 세그먼트 병합 시점에 일어난다.
• _flush는 메모리의 변경분을 디스크에 반영한다.

Script란

• 스크립트는 문서 색인, 수정, 검색 과정에서 더 복잡한 연산과 계산을 수행할 수 있게 해준다.

스크립트의 종류

• Inline Scripts — 요청 안에 직접 작성하는 스크립트다.
• Stored Scripts — 서버에 저장해두고 고유 ID로 참조하는 스크립트다.
• File Scripts — 각 노드의 config/scripts 디렉터리에 저장하는 방식이다. 보안상의 이유로 잘 쓰이지 않고 권장되지도 않는다.

스크립트 언어

• Elasticsearch는 여러 스크립트 언어를 지원하지만, Painless가 가장 권장되며 안전하다.
• Groovy, JavaScript, Python도 사용할 수 있으나 성능과 보안 측면에서 Painless가 우선된다.

문서 수정 예시

POST /my_index/_update/100
{
  "script": {
    "source": "ctx._source.price += 10"
  }
}

• ctx._source로 현재 문서에 접근해 값을 직접 계산한다.

커스텀 스코어링 예시

POST /my_index/_search
{
  "query": {
    "function_score": {
      "query": {
        "match_all": {}
      },
      "script_score": {
        "script": {
          "source": "doc['price'].value * _score"
        }
      }
    }
  }
}

보안 고려사항

• Painless를 사용한다 — 보안과 성능 모두에서 유리하다.
• 스크립팅 권한을 신뢰할 수 있는 사용자로 제한한다.
• 필요하지 않다면 운영 환경에서 동적 스크립팅을 비활성화한다.
• 공통적이고 재사용되는 스크립트는 stored script로 만들어 공격 표면을 줄인다.

Upsert란

• Elasticsearch의 upsert는 update와 insert를 결합한 연산이다.
• 지정한 ID의 문서가 있으면 수정(update) 한다.
• 없으면 제공한 내용으로 새 문서를 생성(insert) 한다.

doc + upsert

POST /my_index/_update/5
{
  "doc": {
    "author": "John Doe"
  },
  "upsert": {
    "title": "Elasticsearch Basics",
    "author": "Jane Doe",
    "publish_date": "2024-05-09",
    "tags": ["search", "analytics"]
  }
}

• doc — 문서가 이미 있을 때 적용할 변경 내용이다. 여기서는 author만 바뀐다.
• upsert — 문서가 없을 때 새로 생성할 문서 전체다.
• 즉 문서 존재 여부에 따라 둘 중 하나만 사용된다.

script + upsert

POST /my_index/_update/7
{
  "script": {
    "source": "ctx._source.price++"
  },
  "upsert": {
    "title": "Elasticsearch Basics",
    "author": "Jane Doe",
    "publish_date": "2024-05-09",
    "price": 100,
    "tags": ["search", "analytics"]
  }
}

• script — 문서가 있을 때 실행할 로직이다. 기존 값을 읽어 계산한다(price++).
• upsert — 문서가 없을 때 생성할 초기 문서다. 초기값 price: 100을 함께 넣어둔다.
• 카운터처럼 기존 값을 증가시키되 첫 요청에서는 초기값을 세워야 하는 경우에 쓰는 형태다.

Replace — 문서 전체 교체

PUT /my_index/_doc/20
{
  "title": "Elasticsearch Basics",
  "author": "John Doe",
  "publish_date": "2024-05-09",
  "tags": ["search", "analytics"]
}

• 같은 ID에 다시 PUT을 보내면 문서 전체가 교체된다.
• PUT /{index}/_doc/{id}는 부분 수정이 아니라 전체 덮어쓰기다.
• 요청 본문에 없는 필드는 사라진다.

PUT /my_index/_doc/20
{
  "title": "Updated Elasticsearch Basics",
  "author": "Jane Doe",
  "publish_date": "2024-06-01",
  "tags": ["search", "analytics", "updated"]
}

Routing이란

• Routing은 인덱스 안에서 문서가 shard들에 어떻게 분산되는지를 결정하는 메커니즘이다.
• 제대로 활용하면 Elasticsearch 작업의 성능과 효율을 크게 개선할 수 있다. 특히 대용량 데이터셋이나 특정한 쿼리 패턴에서 효과가 크다.

두 가지 방식

• Default Routing — 문서 ID를 해싱해 shard를 정한다.
• Custom Routing — shard를 결정할 커스텀 값(routing key) 을 직접 지정한다. 더 효율적인 쿼리가 가능해진다.

Custom Routing의 이점

• 쿼리 성능 향상(Improved Query Performance)
  • 연관된 문서들이 같은 shard에 저장되도록 보장하면, Elasticsearch가 질의해야 할 shard 수를 줄일 수 있어 응답이 빨라진다.
• 데이터 지역성(Data Locality)
  • 연관 데이터를 함께 저장하므로, 멀티테넌시나 데이터 분할 시나리오를 가진 애플리케이션에 특히 유용하다.

사용 예시

색인할 때 routing key 지정

POST /my_index/_doc/1?routing=user123
{
  "title": "Elasticsearch Basics",
  "author": "John Doe",
  "publish_date": "2024-05-09",
  "tags": ["search", "analytics"]
}

검색할 때 같은 routing key 지정

GET /my_index/_search?routing=user123
{
  "query": {
    "match": {
      "author": "John Doe"
    }
  }
}

• 쿼리 파라미터 ?routing= 으로 값을 넘긴다.
• 색인과 검색에 같은 키를 쓰면, 검색이 모든 shard가 아니라 해당 shard만 조회한다.

고려사항

• shard 불균형(Shard Imbalance)
  • custom routing을 조심해서 쓰지 않으면 데이터가 고르지 않게 분포할 수 있다. routing key가 shard 전체에 고르게 퍼지는 값인지 확인해야 한다.
• routing key 변경(Routing Key Changes)
  • 문서를 routing key와 함께 색인하고 나면, 문서를 재색인하지 않고는 routing key를 바꿀 수 없다.

읽기 요청의 처리 순서

• Client Request — 클라이언트가 Elasticsearch 노드(coordinating node)로 요청을 보낸다. 검색 쿼리, ID로 문서 조회, 집계 등이 모두 해당한다.
• Coordinating Node — 요청 처리를 담당한다. 요청을 파싱해 어떤 인덱스와 shard를 조회해야 하는지 판단한다.
• Routing — 쿼리에 관련된 각 shard에 대해, coordinating node가 적절한 shard 복사본으로 요청을 전달한다. 각 인덱스는 shard로 나뉘고 각 shard는 primary 하나와 0개 이상의 replica를 가지므로, 어느 복사본을 조회할지 결정해야 한다.
• Shard Level Execution — 요청이 primary shard 또는 replica shard 중 하나로 전달된다(연산 종류와 부하 분산 설정에 따라 달라진다). 해당 shard가 로컬에서 쿼리나 조회를 수행한다.
• Aggregation and Reduction — 검색 쿼리의 경우 각 shard가 쿼리를 실행하고 결과를 coordinating node로 돌려준다. coordinating node는 이 결과들을 취합해(검색 결과 병합, 최종 집계 수행) 완전한 응답을 만든다.
• Response to Client — coordinating node가 최종 취합된 응답을 클라이언트에 보낸다.

Adaptive Replica Selection (ARS)

• 읽기 요청을 처리할 최적의 shard 복사본(primary 또는 replica)을 동적으로 선택해 읽기 성능과 효율을 개선하도록 설계된 기능이다.
• 이 선택은 노드의 현재 성능과 부하 지표를 근거로 이루어진다.

동작 방식

• 지표 수집(Metrics Collection) — Elasticsearch는 각 shard 복사본(primary와 replica 모두)에 대해 응답 시간, 부하, 큐 크기 같은 지표를 수집한다.
• 동적 선택(Dynamic Selection) — 읽기 요청이 오면 특정 복사본으로 정적으로 라우팅하지 않고, coordinating node가 이 지표들을 이용해 가장 빠른 응답이 기대되는 복사본을 동적으로 선택한다.

효과

• 부하 분산(Load Balancing) — 가장 덜 바쁘거나 가장 빠르게 응답하는 shard를 고르므로, 노드 간 부하가 더 효과적으로 분산되고 전체 시스템 성능이 최적화된다.
• 지연 개선(Improved Latency) — 읽기 요청을 가장 응답성이 좋은 복사본으로 보내므로, 지연이 줄고 클러스터의 응답성이 향상된다.

쓰기 요청의 처리 순서

• Client Request — 클라이언트가 문서를 쓰기 위해 Elasticsearch 노드(coordinating node)로 색인 요청을 보낸다. 요청에는 문서 내용과 저장할 인덱스가 담긴다.
• Document Routing — coordinating node가 어느 shard가 이 문서를 담아야 하는지 결정한다. 기본적으로 문서 ID의 해시로 shard를 정하며, custom routing을 설정할 수도 있다.
• Primary Shard Processing — 요청이 해당 문서를 담당하는 primary shard로 전달된다. 인덱스가 샤딩되어 있으면 각 문서는 routing에 따라 하나의 primary shard에 배정된다.
  • primary shard가 쓰기를 처리하고 sequence number를 부여한다.
  • 현재 primary shard의 primary term이 함께 포함된다.
  • primary shard는 연산을 영속화한 뒤 local checkpoint를 갱신한다.
• Replication — primary shard가 쓰기를 처리하고 나면, sequence number와 primary term을 포함해 모든 replica shard로 연산을 전달한다. 각 replica가 쓰기를 처리하고 자신의 local checkpoint를 갱신한다. primary와 모든 replica가 쓰기를 확인해야만 쓰기 연산이 성공으로 간주된다.
• Global Checkpoint Update — primary shard가 모든 replica의 local checkpoint를 추적한다. in-sync 상태인 replica 전부가 쓰기를 확인하면, primary shard가 global checkpoint를 모든 replica가 확인한 가장 높은 sequence number로 갱신한다.
• Acknowledgment — coordinating node가 primary와 모든 replica의 확인 응답을 기다린다. 전부 확인되면 클라이언트에 성공 응답을 보낸다.

핵심 개념 네 가지

개념	의미
Translog	write-ahead log 역할을 한다
Checkpoint	translog에서 커밋 성공 지점을 표시하는 marker
├ Global Checkpoint	shard의 in-sync 복사본 전체가 도달한 지점
└ Local Checkpoint	개별 shard 하나가 도달한 지점
Primary Term	primary shard가 재할당될 때마다 증가하는 카운터
Sequence Number	연산을 순서대로 처리하기 위한 카운터

Global Checkpoint의 진행

1단계 — 첫 쓰기

Global checkpoint: 99
Primary:   99 → 100
Replica1:  99 → 100
Replica2:  99 → 99 (in progress)

2단계 — 두 번째 쓰기

Global checkpoint: 99
Primary:   99 → 100 → 101
Replica1:  99 → 100 → 101
Replica2:  99 → 99 (in progress)

3단계 — 뒤처진 replica가 따라잡음

Global checkpoint: 99 → 101
Primary:   99 → 100 → 101
Replica1:  99 → 100 → 101
Replica2:  99 → 99 → 100 → 101

• primary와 replica1이 101까지 앞서가도, replica2가 99에 머물러 있는 동안 global checkpoint는 99에서 움직이지 않는다.
• replica2가 101까지 따라잡은 뒤에야 global checkpoint가 101로 올라간다.
• 즉 global checkpoint는 가장 뒤처진 in-sync 복사본이 결정한다. 이 지점까지는 모든 복사본이 동일함이 보장되므로, 장애 복구 시 어디부터 재전송해야 하는지의 기준이 된다.

동시성 처리가 왜 필요한가?

• Elasticsearch에서 동시성 문제를 다루는 것은 데이터 일관성과 정확성을 보장하기 위해 반드시 필요하다. 특히 처리량이 많은 환경에서 중요하다.

문제 상황 — 갱신 유실(lost update)

• 두 클라이언트가 같은 문서를 동시에 다룰 때 일어나는 일이다.

• 각자 자기가 읽은 값(10)을 기준으로 계산했기 때문에, 나중 쓰기가 앞선 쓰기를 덮어쓴다.

Optimistic Concurrency Control (OCC)

• OCC는 Elasticsearch가 여러 클라이언트의 동시 읽기는 허용하되, 특정 시점에 쓸 수 있는 클라이언트는 하나뿐임을 보장하는 방식이다.
• if_primary_term 과 if_seq_no 로 구현한다.

POST /store/_update/1?if_primary_term=1&if_seq_no=3

• 성공 — 문서가 여전히 _seq_no: 3, _primary_term: 1이면 갱신된다.
• 실패 — 그 사이 다른 클라이언트가 문서를 바꿔 _seq_no가 달라졌다면 거부되고 version_conflict_engine_exception 오류가 발생한다.
• 즉 "내가 읽은 그 버전이 아직 그대로일 때만 써라"는 조건부 쓰기다.

Update multiple documents

• 쿼리를 기준으로 문서들을 수정하려면 _update_by_query API를 사용한다.

전체 문서 수정 — 쿼리 없이

POST /store/_update_by_query
{
  "script": {
    "source": "ctx._source.stock -= 1"
  }
}

• query를 생략하면 인덱스의 모든 문서에 스크립트가 적용된다.

조건에 맞는 문서만 수정 — 쿼리 지정

POST /store/_update_by_query
{
  "script": {
    "source": "ctx._source.stock -= 1"
  },
  "query": {
    "term": {
      "product": "peach"
    }
  }
}

• query를 함께 주면 매칭된 문서에만 스크립트가 적용된다.
• 여기서는 product가 peach인 문서들의 stock만 1씩 줄어든다.

Delete multiple documents

• 쿼리를 기준으로 문서들을 삭제하려면 _delete_by_query API를 사용한다.

POST /store/_delete_by_query
{
  "query": {
    "term": {
      "product": "apple"
    }
  }
}

• product가 apple인 문서들이 삭제된다.

Bulk란

• Elasticsearch의 bulk action은 여러 건의 index, update, delete, create 연산을 하나의 API 호출로 수행하는 방법이다.
• 개별 요청을 여러 번 보내는 오버헤드를 줄여 효율적이다. 대용량 데이터 색인, 다건 문서 수정, 문서 일괄 삭제에 특히 유용하다.

네 가지 Action Type

Action	동작	문서가 이미 있으면
Index	문서를 추가하거나 갱신한다	교체(replace) 된다
Update	문서를 부분 수정한다	— (없으면 upsert로 생성 가능)
Delete	ID로 문서를 삭제한다	—
Create	새 문서를 추가한다	실패한다

• Index — 있으면 덮어쓰고 없으면 만든다. 존재 여부를 신경 쓰지 않을 때 쓴다.
• Update — 지정한 필드만 바꾼다. 문서가 없을 때를 대비하려면 upsert를 함께 쓴다.
• Delete — 문서 ID를 지정해 삭제한다.
• Create — 새로 만드는 경우에만 성공한다. 중복 생성을 막고 싶을 때 쓴다.