Elasticsearch中的倒排索引

前言

再Elasticsearch创建索引流程一文中，介绍了ES创建索引的流程。再流程中是调用Lucene的接口来创建索引的。本篇文章主要介绍ES中的索引——倒排索引

分词

在创建索引之前，会对文档中的字符串进行分词。ES中字符串有两种类型，keyword和text。

• keyword类型的字符串不会被分词，搜索时全匹配查询
• text类型的字符串会被分词，搜索时是包含查询

不同的分词器对相同字符串分词的结果大有不同，选择不同的分词器对索引的创建有很大的影响

如拆分“中华人民共和国国歌”

1. ik_max_word分词器: 最细粒度拆分，分词结果如下：

   • 中华人民共和国
   • 中华人民
   • 中华
   • 华人
   • 人民共和国
   • 人民
   • 人
   • 民
   • 共和国
   • 共和
   • 和
   • 国国
   • 国歌

2. ik_smart分词器: 最粗粒度的拆分，分词结果如下：

   • 中华人民共和国
   • 国歌

可见，再ES中创建索引，选择合适的分词器是很重要的。

单词-文档矩阵

-	单词1	单词2	单词3	单词4
文档1	√		√
文档2		√
文档3			√
文档4	√			√

该矩阵是表达单词和文档两者之间包含关系的概念模型。
从横向看，每行代表文档包含了哪些单词，比如文档1包含了单词1和单词3，而不包含其它单词。
从纵向看，每列代表了某个单词存在于哪些文档。比如单词1在文档1和文档4中出现过。

简单来说，索引就是实现“单词-文档矩阵”的具体数据结构，而倒排索引则是实现了这种数据结构的具体方式。

倒排索引

倒排索引由两部分构成：

• 单词词典
• 倒排列表

它的结构如下：

单词词典

单词词典的特性：

1. 是文档集合中所有单词的集合
2. 它是保存索引的最小单位
3. 其中记录着指向倒排列表的指针

单词词典的实现：

单词词典有两种数据结构实现：B+树和Hash表

B+树和Mysql索引结构中主键索引数据结构一样，这里就不再介绍了

哈希表的key是单词的hash值，值是单词的链表，因为hash算法会有冲突的情况发生，所以这里的值是一个集合，里面保存着相同hash值得单词以及改词指向倒排列表的指针

倒排列表

倒排列表特性：

1. 记录出现过某个单词的文档列表
2. 同时还记录单词在所有文档中的出现次数和偏移位置

倒排列表元素数据结构：$$(DocID;TF;)$$

其中：

• DocID：出现某单词的文档ID
• TF(Term Frequency)：单词在该文档中出现的次数
• POS：单词在文档中的位置

举例

有下面单个文档

-	内容
文档1	百度的年度目标
文档2	AI技术生态部的年度目标
文档3	AI市场的年度目标

则他们生成的倒排索引

单词ID	单词	逆向文档频率	倒排列表(DocID;TF;)
1	目标	3	(1;1;<3>),(2;1;<5>),(3;1;<4>)
2	年度	3	(1;1;<2>),(2;1;<4>),(3;1;<3>)
3	AI	2	(2;1;<1>),(3;1;<1>)
4	技术	1	(2;1;<2>)
5	生态	1	(2;1;<3>)
6	市场	1	(3;1;<2>)

比如单词“年度”，单词ID为2，在三个文档中出现过，所以逆向文档频率为3，同时倒排索引中的元素也有三个：(1;1;<2>),(2;1;<4>),(3;1;<3>)。拿第一个元素(1;1;<2>)进行说明，他表示“年度”再文档ID为1的文档中出现过1次，出现的位置是第二个单词

倒排索引的搜索过程

直到了倒排索引的内部结构之后，就能很好理解倒排索引的搜索过程了，其内部搜索过程如下图所示：

系列文章

1. 搜索引擎ElasticSearch源码编译和Debug环境搭建
2. 搜索引擎ElasticSearch的启动过程
3. Elasticsearch创建索引流程
4. Elasticsearch搜索过程详解
5. Elasticsearch搜索相关性排序算法详解
6. Elasticsearch中的倒排索引