搜索引擎索引之索引更新策略

 本文节选自《这就是搜索引擎：核心技术详解》第三章

动态索引通过在内存中维护临时索引，可以实现对动态文档和实时搜索的支持。但是服务器内存总是有限的，随着新加入系统的文档越来越多，临时索引消耗的内存也会随之增加。当最初分配的内存将被使用完时，要考虑将临时索引的内容更新到磁盘索引中，以释放内存空间来容纳后续的新进文档，此时要考虑合理有效的索引更新策略。

常用的索引更新策略有四种：完全重建策略，再合并策略，就地更新策略以及混合策略。

3.6.1完全重建策略（Complete Re-Build）

    完全重建策略是一个相当直观的方法，当新增文档达到一定数量，将新增文档和原先的老文档进行合并，然后利用前述章节提到的建立索引的方式，对所有文档重新建立索引。新索引建立完成后，老的索引被遗弃释放，之后对用户查询的响应完全由新的索引负责。图3-16是这种策略的说明示意图。

                            图3-16完全重建策略

     因为重建索引需要较长时间，在进行索引重建的过程中，内存中仍然需要维护老的索引，来对用户的查询做出响应，只有当新索引完全建立完成后，才能释放旧的索引，将用户查询响应切换到新索引上。

这种重建策略比较适合小文档集合，因为完全重建索引的代价较高，但是目前主流商业搜索引擎一般是采用此种方式来维护索引的更新，这与互联网本身的特性有关。

3.6.2再合并策略（Re-Merge）

  

有新增文档进入搜索系统时，搜索系统在内存维护临时倒排索引来记录其信息，当新增文档达到一定数量，或者指定大小的内存被消耗完，则把临时索引和老文档的倒排索引进行合并，以生成新的索引。图3-17是这种策略的一种图示。

                              图3-17 再合并策略

在实际的搜索系统中，“再合并策略”按照以下步骤进行索引内容的更新：

   当新文档进入系统，解析文档，之后更新内存中维护的临时索引，文档中出现的每个单词，在其倒排列表末尾追加倒排列表项，这个临时索引可称之为“增量索引”；

一旦“增量索引”将指定的内存消耗光，此时需要进行一次索引合并，即将“增量索引”和老的倒排索引内容进行合并。图3-18是合并过程示意图，这里需要注意的是：倒排文件里的倒排列表存放顺序，已经按照索引单词字典顺序由低到高进行了排序，增量索引在遍历词典的时候也按照字典序由低到高排列，这样对老的倒排文件只需进行一遍扫描，并可顺序读取，减少了文件操作中比较耗时的磁盘寻道时间，可以有效地增加合并效率。

 

                         图3-18 合并增量索引与倒排索引

 

在合并过程中，需要依次遍历“增量索引”和老索引单词词典中包含的单词及其对应的倒排列表，可以用两个指针分别指向两套索引中目前需要合并的单词（参考图3-18中箭头所指），按照如下方式进行倒排列表的合并：

考虑“增量索引”的单词指针指向的单词，如果这个单词在词典序中小于老索引的单词指针指向的单词，说明这个单词在老索引中没有出现过，则直接将这个单词对应的倒排列表写入新索引的倒排文件中，同时“增量索引”单词指针后移指向下一个单词。

如果两个“单词指针”指向的单词相同，说明这个单词在“增量索引”和老索引中同时出现，则将老索引中这个单词对应的倒排列表写入新索引的倒排列表，然后把“增量索引”中这个单词对应的倒排列表追加到其后，这样就完成了这个单词所有倒排列表的合并。图3-18中箭头所指单词是“搜索”，说明此时合并到了该单词，因为在老的索引系统和增量索引中都包含这个单词，所以首先将老索引对应的倒排列表追加到新索引倒排文件末尾，之后将增量索引中“搜索”这个单词对应的倒排列表追加在其后，这样就完成了这个单词索引项的合并。两个索引的单词指针都移动到下一个单词继续进行合并。

如果某个单词只在老索引中出现过，即发现老索引的“单词指针”指向的单词，其词典序小于“增量索引”单词指针指向的单词，则直接将老索引中对应的倒排列表写入新索引倒排文件中。老索引的单词指针后移指向下一个单词，继续进行合并。

当两个索引的所有单词都遍历完成后，新索引建成，此时可以遗弃释放老索引，使用新索引来响应用户查询请求。

       同样的，在按照这个策略进行索引合并的过程中，为了能够响应用户查询，在合并索引期间，需要使用老索引响应用户查询请求。

       “再合并策略”是效率非常高的一种索引更新策略，主要原因在于：在对老的倒排索引进行遍历时，因为已经按照索引单词的词典序由低到高排好顺序，所以可以顺序读取文件内容，减少了磁盘寻道时间，这是其高效的根本原因。但是这种方法也有其缺点，因为要生成新的倒排索引文件，所以对于老索引中的很多单词来说，尽管其倒排列表并未发生任何变化，但是也需要将其从老索引中读取出来并写入新索引中，这种对磁盘输入输出的消耗是没有太大必要且非常耗时的。

3.6.3原地更新策略（In-Place）

原地更新策略的基本出发点，可以认为是试图改进“再合并策略”的缺点。就是说，在索引更新过程中，如果老索引的倒排列表没有变化，可以不需要读取这些信息，而只对那些倒排列表变化的单词进行处理。甚至希望能更进一步：即使老索引的倒排列表发生变化，是否可以只在其末尾进行追加操作，而不需要读取原先的倒排列表并重写到磁盘另外一个位置? 如果能够达到这个目标，明显可以大量减少磁盘读写操作，提升系统执行效率。

为了达到上述目标，原地更新策略在索引合并时，并不生成新的索引文件，而是直接在原先老的索引文件里进行追加操作（参考图3-19），将增量索引里单词的倒排列表项追加到老索引相应位置的末尾，这样就可达到上述目标，即只更新增量索引里出现的单词相关信息，其它单词相关信息不做变动。

                            图3-19 原地更新策略

 

但是这里存在一个问题：对于倒排文件中的两个相邻单词，为了在查询时加快读取速度，其倒排列表一般是顺序序列存储的，这导致没有空余位置用来追加新信息。为了能够支持追加操作，“原地更新策略”在初始建立的索引中，会在每个单词的倒排列表末尾预留出一定的磁盘空间，这样，在进行索引合并时，可以将增量索引追加到预留空间中。

图3-20是这种合并策略的一个说明。在图中，老索引中每个单词的倒排列表末尾都预留出空余磁盘空间，以作为信息追加时的存储区域。在对“新增索引”进行合并时，按照词典序，依次遍历“新增索引”中包含的单词，并对新增倒排列表的大小和老索引中相应预留空间大小进行比较，如果预留空间足够大，则将新增列表追加到老索引即可，如果预留空间不足以容纳新增倒排列表，那么此时需要在磁盘中找到一块完整的连续存储区，这个存储区足以容纳这个单词的倒排列表，之后将老索引中的倒排列表读出并写入新的磁盘位置，并将“增量索引”对应的倒排列表追加到其之后，这样就完成了一次倒排列表的“迁移”工作。

      

                            图3-20原地更新策略索引合并

在图3-20所示的例子中，可以看出，单词“技术”和“引擎”在老索引中的预留空间足够大，所以对“增量索引”只需做追加写入即可，但是对于单词“搜索”来说，其预留空间不足以容纳新增倒排列表，所以这个单词的倒排列表需要迁移到磁盘另外一个连续存储区中。

“原地更新策略”的出发点很好，但是实验数据证明其索引更新效率比“再合并策略”要低，主要是出于以下两个原因：

       在这种方法中，对倒排列表进行“迁移”是比较常见的操作，为了能够进行快速迁移，需要找到足够大的磁盘连续存储区，所以这个策略需要对磁盘可用空间进行维护和管理，而这种维护和查找成本非常高，这成为该方法效率的一个瓶颈。

对于倒排文件中的相邻索引单词，其倒排列表顺序一般是按照相邻单词的词典序存储的，但是由于“原地更新策略”对单词的倒排列表做数据迁移，某些单词及其对应倒排列表会从老索引中移出，这样就破坏了这种单词连续性，导致在进行索引合并时不能顺序进行读取，必须维护一个单词到其倒排文件相应位置的映射表，而这样做，一方面降低了磁盘读取速度，另外一方面需要大量的内存来存储这种映射信息。

 

3.6.4混合策略（Hybrid）

混合策略的出发点是能够结合不同索引更新策略的长处，将不同的索引更新策略混合，以形成更高效的方法。

混合策略一般会将单词根据其不同性质进行分类，不同类别的单词，对其索引采取不同的索引更新策略。常见的做法是根据单词的倒排列表长度进行区分，因为有些单词经常在不同文档中出现，所以其对应的倒排列表较长，而有些单词很少见，则其倒排列表就较短。根据这一性质将单词划分为“长倒排列表单词”和“短倒排列表单词”。“长倒排列表单词”采取“原地更新策略”，而“短倒排列表单词”则采取“再合并策略”。

之所以这样做，是由于“原地更新策略”更适合“长倒排列表单词”，因为这种策略能够节省磁盘读写次数，而“长倒排列表单词”的读写开销明显要比“短倒排列表单词”大很多，所以如果采用“原地更新策略”，效果体现得比较显著。而大量“短倒排列表单词”读写开销相对而言不算太大，所以利用“再合并策略”来处理，则其顺序读写优势也能被充分利用。

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