巨大なJSON配列をPOSIX Awkで処理するSAX風ストリーミングパーサーの構築

Tech
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  "category": ["SRE", "DevOps", "Scripting"],
  "keywords": ["awk", "POSIX", "JSON", "SAX", "Streaming", "jq", "Shell Scripting", "Robustness"],
  "target_audience": "SRE/DevOpsエンジニア",
  "difficulty": "Advanced",
  "objective_ja": "POSIX準拠AWKによるメモリ効率の良いストリーミングJSON処理の実装。",
  "draft_status": "Draft (Untested)"
}

本記事はGeminiの出力をプロンプト工学で整理した業務ドラフト（未検証）です。

巨大なJSON配列をPOSIX Awkで処理するSAX風ストリーミングパーサーの構築

【導入と前提】

巨大なログファイルやAPIレスポンスに含まれるJSON配列を処理する際、従来のパーサーのように全体をメモリにロードすると、処理遅延やOOM (Out-of-Memory) エラーを引き起こします。本実装では、ストリーム処理（SAX風）の特性を持つPOSIX準拠のawkを活用し、メモリ消費を抑えながら対象データを抽出・集計する堅牢なオペレーションを自動化します。

前提条件:

  1. OS環境: POSIX準拠のシェル（Bash, Zsh, Dash等）が動作する環境。

  2. ツール: curl (データ取得), jq (前処理フィルタ), POSIX準拠のawk。

    • 本質的な解析ロジックはawkが担当しますが、実運用上の堅牢性を確保するため、ストリーム化に最適かつ安全なjq -cを前段で使用します。

【処理フローと設計】

SAX風処理とは、データ全体をメモリに保持せず、読み込んだイベント（この場合はJSONオブジェクトの1行）に基づいて処理を行う設計です。awkは本来行指向であるため、jq -cでJSON配列の各要素を1行のストリームに変換することで、この処理を容易に実現します。

graph TD
    A["API Endpoint"] -->|HTTP GET (curl)| B("Raw JSON")
    B -->|Convert to Stream("jq -c")| C["Line-by-Line Object Stream"]
    C -->|POSIX Awk Processing("FS=':' etc.")| D(Filter/Extract/Aggregate)
    D --> E["Output/Database Insertion"]

設計の要点:

  1. ストリーム変換: jq -c '.data[]' を使用し、配列要素を改行区切りのコンパクトなJSON文字列に変換します。これにより、awkのレコードセパレータ（RS=\n）が有効になります。

  2. Awk処理: 各行（$0）に対して正規表現やフィールドセパレータ操作を行い、メモリ負荷を最小限に抑えながら必要なキーと値を抽出します。

  3. 堅牢性: パイプライン全体をset -euo pipefailで保護し、中間プロセスのエラーが全体を停止するように設計します。

【実装：堅牢な自動化スクリプト】

以下のスクリプトは、外部APIから取得した巨大なJSONデータ（{"data": [...]} 形式）から、特定のフィールド（idとstatus）を抽出し、処理時間を集計する例です。

1. stream_parser.sh

#!/usr/bin/env bash

# 設定：致命的なエラーで即座に終了、未定義変数を禁止、パイプ内のエラーを捕捉

set -euo pipefail

# --- グローバル設定 ---

readonly API_URL="https://api.example.com/large_data"
readonly LOG_FILE="/var/log/stream_parser.log"
readonly TMP_FILE=$(mktemp)

# --- トラップ設定：終了時に必ず実行されるクリーンアップ ---


# ERRトラップ：予期せぬエラー時にメッセージをログに記録

trap 'RC=$?; echo "[FATAL] Script failed at line $LINENO with exit code $RC." >> "${LOG_FILE}"; rm -f "${TMP_FILE}"' ERR

# EXITトラップ：正常/異常終了に関わらず一時ファイルを削除

trap 'rm -f "${TMP_FILE}"' EXIT

log() {
    echo "$(date '+%Y-%m-%dT%H:%M:%S%z') [INFO] $*" >> "${LOG_FILE}"
}

# --- POSIX AwkによるSAX風ストリーミング解析関数 ---


# jqで1行1オブジェクトに整形されたJSONを処理する

parse_stream_awk() {

    # Awkの内部ロジック


    # 正規表現のマッチング（match関数）を使い、複雑なFS設定を避ける

    awk '
        BEGIN {

            # 処理開始時刻を設定（UNIX時間）

            START_TIME = systime();
            PROCESSED_COUNT = 0;
            print "[HEADER] ID, STATUS";
        }

        {

            # PROCESSED_COUNTをインクリメント

            PROCESSED_COUNT++;

            # 1. IDの抽出 (例: "id":12345)

            ID = "N/A";
            if (match($0, /"id":[0-9]+/)) {

                # RSTARTとRLENGTHはmatchによって設定される


                # ID部分（例: "id":12345）を抽出し、コロンで分割して数値を取得

                id_pair = substr($0, RSTART, RLENGTH);
                split(id_pair, a, ":");
                ID = a[2];
            }

            # 2. STATUSの抽出 (例: "status":"ACTIVE")

            STATUS = "N/A";

            # 引用符で囲まれた文字列を安全に抽出（正規表現のキャプチャグループを使用）

            if (match($0, /"status":"([^"]+)"/)) {

                # サブストリング切り出しで値を抽出


                # RSTART + 10 は "status":" の次、RLENGTH - 11 は末尾の引用符を除いた長さ


                # ※POSIX AWKではPCRE (Perl Compatible Regular Expression) の高度なキャプチャはサポートされないため、


                #   matchとsubstrの組み合わせで対応する。

                STATUS = substr($0, RSTART + 10, RLENGTH - 11);
            }

            # 結果出力

            printf "%s, %s\n", ID, STATUS;
        }

        END {

            # 処理終了時刻と統計情報を計算

            END_TIME = systime();
            DURATION = END_TIME - START_TIME;
            printf "\n[SUMMARY] Total processed records: %d\n", PROCESSED_COUNT;
            printf "[SUMMARY] Total duration (seconds): %d\n", DURATION;
        }
    '
}


# --- メイン実行ロジック ---

main() {
    log "Starting API data fetch and stream parsing."

    # 1. APIからのデータ取得


    # -s: サイレントモード


    # -S: エラー時でも進捗表示をしない


    # -L: リダイレクトを追跡


    # -f: HTTPエラーコード (4xx, 5xx) を受け取った場合、エラーとして終了


    # --retry 5: 失敗時に5回リトライ


    # --connect-timeout 10: 接続タイムアウト

    if ! curl -sSLf --retry 5 --connect-timeout 10 "${API_URL}" > "${TMP_FILE}"; then
        log "ERROR: curl failed to retrieve data from ${API_URL}."
        exit 1
    fi
    log "Data successfully fetched to temporary file: ${TMP_FILE}"


    # 2. ストリーミング処理


    # jqで配列（.data）を展開し、各オブジェクトを圧縮（-c）し、1行1オブジェクトに変換


    # このパイプライン全体をAwkに渡し、ストリーム処理を行う

    jq -c '.data[]' < "${TMP_FILE}" | parse_stream_awk

    log "Stream parsing completed successfully."
}

# スクリプト実行

main

【検証と運用】

正常系の確認コマンド

ダミーデータを使用して、awkが意図通りにストリーム処理を行っているか確認します。

1. ダミーJSONの作成

cat << EOF > dummy_data.json
{
  "status": "OK",
  "data": [
    {"id":1001,"status":"ACTIVE","name":"A"},
    {"id":1002,"status":"PENDING","name":"B"},
    {"id":1003,"status":"BLOCKED","name":"C"}
  ]
}
EOF

2. 実行と結果確認 curlの代わりにcatを使い、jqとawkの連携を確認します。

# curlの代わりにcatを使用する検証用コマンド

cat dummy_data.json | jq -c '.data[]' | ./parse_stream_awk

期待される出力（一部）:

[HEADER] ID, STATUS
1001, ACTIVE
1002, PENDING
1003, BLOCKED

[SUMMARY] Total processed records: 3
[SUMMARY] Total duration (seconds): 0

エラー時のログ確認方法

本スクリプトはログを/var/log/stream_parser.logに出力します。

システムデーモン化する場合 (systemd): もしこのスクリプトをsystemdのサービスとして運用する場合、標準出力/標準エラーはjournaldに送られます。

# サービス名が stream_parser.service の場合

journalctl -u stream_parser.service --since "1 hour ago" -r

trap ERRで捕捉された致命的なエラーや、curlの失敗メッセージは、専用ログファイルとjournalctlの両方に記録されます（log関数を使用しているため）。

【トラブルシューティングと落とし穴】

課題 説明と対策
文字エンコーディング POSIX Awkはバイト指向処理を基本とします。JSONがUTF-8である場合、jqでASCII文字のみを含むように事前にエスケープ（@jsonフィルタなど）するか、あるいはLC_ALL=Cを設定してバイト単位で処理することで、マルチバイト文字による正規表現の予期せぬマッチを防ぎます。
メモリリーク awk自体はストリーミング処理でメモリ効率が良いですが、jq -c '.data[]'の前のcurlが巨大なJSON全体を一時ファイルに保存するため、ディスク容量と一時ファイル書き込み時のメモリ/IO負荷は発生します。さらにメモリ効率を求める場合は、curlの出力を直接jqにパイプする必要がありますが、APIエラー時のデバッグが困難になる可能性があります。
権限問題 スクリプトの実行ユーザーがTMPDIRへの書き込み権限、およびログファイルへの追記権限（/var/log/など）を持っているか確認してください。Cronやsystemdで実行する場合は、実行ユーザー（例: www-dataや専用のサービスユーザー）が正しく設定されている必要があります。
環境変数の漏洩防止 main関数内でreadonlyやローカル変数を使用することで、関数の外で意図せず環境変数を上書きすることを防いでいます。TMP_FILEのような機密性の低いファイルであっても、mktempを使用し、trap EXITで確実に削除することでセキュリティを確保します。

【まとめ】

POSIX Awkを用いたストリーミングJSON処理は、レガシー環境やリソース制約の厳しい環境において、メモリ効率の高いデータ処理を実現する強力な手段です。

運用の冪等性を維持するための3つのポイント：

  1. アトミックな一時ファイル管理: mktempでユニークなファイル名を使用し、trap EXITでクリーンアップを保証することで、複数プロセス同時実行時の一時ファイル競合を防ぎ、クリーンな状態を保ちます。

  2. APIエラー時の早期停止: curl -fとset -eを組み合わせることで、APIが不正なHTTPステータスコードを返した場合（認証失敗やサーバーエラーなど）に、処理の中途半端な続行を防ぎます。

  3. 入力の標準化: jq -cを用いて入力ストリームを厳密に「1行1JSONオブジェクト」の形式に整形することで、awk側のロジックが入力データの変動に影響されにくく、予測可能な動作を保証します。

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