GDSC Japan Advent Calender 2023 1日目

はじめに

先日、Firestore を使用してとあるアプリを開発していたところ、以下の機能が必要になりました。

データを1画面に複数件表示し、複数ページに分ける
ページ番号を指定して表示する
作成日でソートし、昇順・降順を切り替える
どの期間のデータを表示するかを指定可能

この機能を実装するためにあれこれ調べたので、これを例としてFirebase Firestoreでページングを実装する方法を3パターン紹介します。

ところで: RDBではどう実装するのか？

FirestoreはNoSQLですが、実装方法を考えるためにMySQLなどのRDBでページングを実現する方法も調べてみました。
どうやら以下の2つの方法があるようです。

オフセット法
シーク法

オフセット法は、単純にデータをある順番に並び替えたあと、前から n 番目以降を m 件取得というクエリを発行する方法です。メリットは実装が単純なこと、デメリットは読み出し速度が遅いこと。

シーク法は、前ページの最後のデータをキーにしてクエリを発行する方法です。メリットは読み出しが早いこと、デメリットは実装が複雑なことと任意のページに飛んで表示するのが面倒なこと。

参考1: offsetでページネーションは遅い。これからはシーク法だ！
参考2: で、オフセット法に比べてシーク法のページネーションはどれだけ早いの？RDB毎に。

以上を参考に、Firestoreのページングについて考察していきます。

案1: オフセット法

Firebase Admin SDK (サーバーが使うやつ) には, MySQLのような offset が実装されています。
API Reference

const firestore = getFirestore();
firestore.collection('foo').limit(10).offset(20);

メリット

実装が割と簡単 (なように見えて、Admin SDKなのでバックエンドのAPIを用意しないといけないため割と面倒)

デメリット

読み飛ばした分も課金対象になる
Admin SDK はセキュリティルールが (恐らく?) 適用されないため、DBのアクセス権限を別途で実装しなければいけない
作成日降順でソートしているとき、あるページを読み込んだ後に新しいデータが追加されると次ページを表示したときに同じデータが表示される
詳しくはこちらを参照してください。

コスト	手軽さ	パフォーマンス
☆☆☆	★★☆	?

案2: シーク法もどき

Firestore公式は (シーク法という言葉は使っていないものの) シーク法のアルゴリズムでページングすることを推奨しています。
ただ、シーク法には任意のページだけを取得する、言い換えると前ページのデータを取得していない状態でページを取得することが難しいという欠点があります。
MySQL等では各ページの最後の値だけを取得するクエリを発行できますが、現状Firestoreではそのようなクエリを発行できません。

解決策として、Firestoreのドキュメントにindex (ソートされた状態で前から数えた番号)を持たせます。
例えば作成日順でソートする場合、新規作成データのindex = 最新データのindex + 1 となります。
読み取り時は startAt() でオフセット分だけずらして取得します。以下は読み取りコードの例です。

// 昇順の場合
const limPerPage = 10; // 1ページあたりに表示する件数
const page = 2; // 表示したいページ番号
const fooCollectionRef = collection(db, 'foo');
const offset = (page - 1) * limPerPage; // ここがキモ、indexをページ分ずらす
const ascQuery = query(fooCollectionRef, limit(limPerPage), 
    orderBy('index', 'asc'),  startAt(offset));

// 降順の場合
const limPerPage = 10; // 1ページあたりに表示する件数
const page = 2; // 表示したいページ番号
const maxIndex = 100; // コレクション内で最大ののindex, 事前に取得しておく
const fooCollectionRef = collection(db, 'foo');
const offset = (page - 1) * limPerPage; // ここがキモ、indexをページ分ずらす
const ascQuery = query(fooCollectionRef, limit(limPerPage), 
    orderBy('index', 'desc'),  startAt(maxIndex - offset));

ある期間に作成されたデータを取得したい場合、事前にその期間の最初または最後にあるデータの index を取得してクエリに渡します。

// ある期間以降の最初のデータのindexを取得する
const from: Timestamp = // Timestampで期間を指定
const fooCollectionRef = collection(db, 'foo');
const q = query(fooCollectionRef, limit(1), 
    orderBy('created_at', 'asc'),  startAt(from)); // created_at はドキュメントの作成日
const snapshot = await getDocs(q);

if (!snapshot.empty) { // クエリに一致するドキュメントが存在すれば
    const fooData = snapshot.docs[0].data();
    const startAtIndex = fooData.index;
}

メリット

オフセット法よりコストが低い
maxIndex を更新しない限り、ページを送ったときに同じデータが表示される問題が発生しない

デメリット

作成順以外でソートしたい場合、データが追加されるたびに既存のドキュメントの index を再設定する必要がある。
例えば、以下のようなコレクションに新しく金額が¥150のデータを追加する場合、金額が¥200, ¥400のデータのindexに1加算しなければなりません。

index 金額

1 ¥100

2 ¥200

3 ¥400
キーとなる index をクライアント側で保存する必要がある
読み取り時、最大の index を取得するために余分に1だけ読み取りが発生する

コスト	手軽さ	パフォーマンス
★★★	★☆☆	★★★

案3: BigQueryを使う

BigQueryはDWH(データウェアハウス)の一つで、標準SQLでクエリを書けます。
また、Firestoreの"Stream Firestore to BigQuery"というExtensionを使用して、FirestoreのデータをBigQueryに流すことができます。

RDBとDWHは微妙に違うようで、MySQLともSQLの仕様が少し異なるらしく、先に述べたRDBでシーク法を実装するSQL文は使えませんでした。
(アドベントカレンダーの公開まで間に合わないので) 実際のクエリは省略します。

(BigQuery慣れてないので嘘言ってたらごめんなさい)

参考: BigQueryの料金

対象	料金	無料枠
ストリーミング挿入	$0.012/200MB	なし
クエリ(オンデマンド)	$6.00 per TB	毎月 1 TB

コスト	手軽さ	パフォーマンス
★★☆	★☆☆	?

まとめ

以上の3つをページングの手法として挙げましたが、個人的にはシーク法(もどき)をおすすめします。
要件や規模にもよりますが、任意ページ目を取得する機能を諦めるならソートするフィールドによらずにページングを実装できます。

そもそも複雑な複合クエリが必要となるシステムでは、NoSQLではなくRDBを採用するでしょうからね。
Firestoreを使ったシステムならシーク法で十分でしょう。

	コスト	手軽さ	パフォーマンス
オフセット法	☆☆☆	★★☆	?
シーク法もどき	★★★	★☆☆	★★★
BigQuery	★★☆	★☆☆	?

参考サイト