Lucene学习总结之七：Lucene搜索过程解析(5)
2.4、搜索查询对象
2.4.3、进行倒排表合并
在得到了Scorer对象树以及SumScorer对象树后，便是倒排表的合并以及打分计算的过程。
合并倒排表在此节中进行分析，而Scorer对象树来进行打分的计算则在下一节分析。
BooleanScorer2.score(Collector) 代码如下：
| public void score(Collector collector) throws IOException { collector.setScorer(this); while ((doc = countingSumScorer.nextDoc()) != NO_MORE_DOCS) { collector.collect(doc); } } |
从代码我们可以看出，此过程就是不断的取下一篇文档号，然后加入文档结果集。
取下一篇文档的过程，就是合并倒排表的过程，也就是对多个查询条件进行综合考虑后的下一篇文档的编号。
由于SumScorer是一棵树，因而合并倒排表也是按照树的结构进行的，先合并子树，然后子树与子树再进行合并，直到根。
按照上一节的分析，倒排表的合并主要用了以下几个SumScorer:
- 交集ConjunctionScorer
- 并集DisjunctionSumScorer
- 差集ReqExclScorer
- ReqOptSumScorer
下面我们一一分析：
2.4.3.1、交集ConjunctionScorer(+A +B)
ConjunctionScorer中有成员变量Scorer[] scorers，是一个Scorer的数组，每一项代表一个倒排表，ConjunctionScorer就是对这些倒排表取交集，然后将交集中的文档号在nextDoc()函数中依次返回。
为了描述清楚此过程，下面举一个具体的例子来解释倒排表合并的过程：
(1) 倒排表最初如下：
(2) 在ConjunctionScorer的构造函数中，首先调用每个Scorer的nextDoc()函数，使得每个Scorer得到自己的第一篇文档号。
| for (int i = 0; i < scorers.length; i++) { if (scorers[i].nextDoc() == NO_MORE_DOCS) { //由于是取交集，因而任何一个倒排表没有文档，交集就为空。 lastDoc = NO_MORE_DOCS; return; } } |
(3) 在ConjunctionScorer的构造函数中，将Scorer按照第一篇的文档号从小到大进行排列。
| Arrays.sort(scorers, new Comparator<Scorer>() { public int compare(Scorer o1, Scorer o2) { return o1.docID() - o2.docID(); } }); |
倒排表如下：
(4) 在ConjunctionScorer的构造函数中，第一次调用doNext()函数。
| if (doNext() == NO_MORE_DOCS) { lastDoc = NO_MORE_DOCS; return; } |
| private int doNext() throws IOException { int first = 0; int doc = scorers[scorers.length - 1].docID(); Scorer firstScorer; while ((firstScorer = scorers[first]).docID() < doc) { doc = firstScorer.advance(doc); first = first == scorers.length - 1 ? 0 : first + 1; } return doc; } |
姑且我们称拥有最小文档号的倒排表称为first，其实从doNext()函数中的first = first == scorers.length - 1 ? 0 : first + 1;我们可以看出，在处理过程中，Scorer数组被看成一个循环数组(Ring)。
而此时scorer[scorers.length - 1]拥有最大的文档号，doNext()中的循环，将所有的小于当前数组中最大文档号的文档全部用firstScorer.advance(doc)(其跳到大于或等于doc的文档)函数跳过，因为既然它们小于最大的文档号，而ConjunctionScorer又是取交集，它们当然不会在交集中。
此过程如下：
- doc = 8，first指向第0项，advance到大于8的第一篇文档，也即文档10，然后设doc = 10，first指向第1项。
- doc = 10，first指向第1项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第2项。
- doc = 11，first指向第2项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第3项。
- doc = 11，first指向第3项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第4项。
- doc = 11，first指向第4项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第5项。
- doc = 11，first指向第5项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第6项。
- doc = 11，first指向第6项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第7项。
- doc = 11，first指向第7项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第0项。
- doc = 11，first指向第0项，advance到文档11，然后设doc = 11，first指向第1项。
- doc = 11，first指向第1项。因为11 < 11为false，因而结束循环，返回doc = 11。这时候我们会发现，在循环退出的时候，所有的倒排表的第一篇文档都是11。
(5) 当BooleanScorer2.score(Collector)中第一次调用ConjunctionScorer.nextDoc()的时候，lastDoc为-1，根据nextDoc函数的实现，返回lastDoc = scorers[scorers.length - 1].docID()也即返回11，lastDoc也设为11。
| public int nextDoc() throws IOException { if (lastDoc == NO_MORE_DOCS) { return lastDoc; } else if (lastDoc == -1) { return lastDoc = scorers[scorers.length - 1].docID(); } scorers[(scorers.length - 1)].nextDoc(); return lastDoc = doNext(); } |
(6) 在BooleanScorer2.score(Collector)中，调用nextDoc()后，collector.collect(doc)来收集文档号(收集过程下节分析)，在收集文档的过程中，ConjunctionScorer.docID()会被调用，返回lastDoc，也即当前的文档号为11。
(7) 当BooleanScorer2.score(Collector)第二次调用ConjunctionScorer.nextDoc()时：
- 根据nextDoc函数的实现，首先调用scorers[(scorers.length - 1)].nextDoc()，取最后一项的下一篇文档13。
- 然后调用lastDoc = doNext()，设doc = 13，first = 0，进入循环。
- doc = 13，first指向第0项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第1项。
- doc = 13，first指向第1项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第2项。
- doc = 13，first指向第2项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第3项。
- doc = 13，first指向第3项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第4项。
- doc = 13，first指向第4项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第5项。
- doc = 13，first指向第5项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第6项。
- doc = 13，first指向第6项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第7项。
- doc = 13，first指向第7项，advance到文档13，然后设doc = 13，first指向第0项。
- doc = 13，first指向第0项。因为13 < 13为false，因而结束循环，返回doc = 13。在循环退出的时候，所有的倒排表的第一篇文档都是13。
(8) lastDoc设为13，在收集文档的过程中，ConjunctionScorer.docID()会被调用，返回lastDoc，也即当前的文档号为13。
(9) 当再次调用nextDoc()的时候，返回NO_MORE_DOCS，倒排表合并结束。
2.4.3.2、并集DisjunctionSumScorer(A OR B)
DisjunctionSumScorer中有成员变量List<Scorer> subScorers，是一个Scorer的链表，每一项代表一个倒排表，DisjunctionSumScorer就是对这些倒排表取并集，然后将并集中的文档号在nextDoc()函数中依次返回。
DisjunctionSumScorer还有一个成员变量minimumNrMatchers，表示最少需满足的子条件的个数，也即subScorer中，必须有至少minimumNrMatchers个Scorer都包含某个文档号，此文档号才能够返回。
为了描述清楚此过程，下面举一个具体的例子来解释倒排表合并的过程：
(1) 假设minimumNrMatchers = 4，倒排表最初如下：
(2) 在DisjunctionSumScorer的构造函数中，将倒排表放入一个优先级队列scorerDocQueue中(scorerDocQueue的实现是一个最小堆)，队列中的Scorer按照第一篇文档的大小排序。
| private void initScorerDocQueue() throws IOException { scorerDocQueue = new ScorerDocQueue(nrScorers); for (Scorer se : subScorers) { if (se.nextDoc() != NO_MORE_DOCS) { //此处的nextDoc使得每个Scorer得到第一篇文档号。 scorerDocQueue.insert(se); } } } |
(3) 当BooleanScorer2.score(Collector)中第一次调用nextDoc()的时候，advanceAfterCurrent被调用。
| public int nextDoc() throws IOException { if (scorerDocQueue.size() < minimumNrMatchers || !advanceAfterCurrent()) { currentDoc = NO_MORE_DOCS; } return currentDoc; } |
| protected boolean advanceAfterCurrent() throws IOException { do { currentDoc = scorerDocQueue.topDoc(); //当前的文档号为最顶层 currentScore = scorerDocQueue.topScore(); //当前文档的打分 nrMatchers = 1; //当前文档满足的子条件的个数，也即包含当前文档号的Scorer的个数 do { //所谓topNextAndAdjustElsePop是指，最顶层(top)的Scorer取下一篇文档(Next)，如果能够取到，则最小堆的堆顶可能不再是最小值了，需要调整(Adjust，其实是downHeap())，如果不能够取到，则最顶层的Scorer已经为空，则弹出队列(Pop)。 if (!scorerDocQueue.topNextAndAdjustElsePop()) { if (scorerDocQueue.size() == 0) { break; // nothing more to advance, check for last match. } } //当最顶层的Scorer取到下一篇文档，并且调整完毕后，再取出此时最上层的Scorer的第一篇文档，如果不是currentDoc，说明currentDoc此文档号已经统计完毕nrMatchers，则退出内层循环。 if (scorerDocQueue.topDoc() != currentDoc) { break; // All remaining subscorers are after currentDoc. } //否则nrMatchers加一，也即又多了一个Scorer也包含此文档号。 currentScore += scorerDocQueue.topScore(); nrMatchers++; } while (true); //如果统计出的nrMatchers大于最少需满足的子条件的个数，则此currentDoc就是满足条件的文档，则返回true，在收集文档的过程中，DisjunctionSumScorer.docID()会被调用，返回currentDoc。 if (nrMatchers >= minimumNrMatchers) { return true; } else if (scorerDocQueue.size() < minimumNrMatchers) { return false; } } while (true); } |
advanceAfterCurrent具体过程如下：
- 最初，currentDoc=2，文档2的nrMatchers=1
- 最顶层的Scorer 0取得下一篇文档，为文档3，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 1的第一篇文档号，都为2，文档2的nrMatchers为2。
- 最顶层的Scorer 1取得下一篇文档，为文档8，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 3的第一篇文档号，都为2，文档2的nrMatchers为3。
- 最顶层的Scorer 3取得下一篇文档，为文档7，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc还为2，不等于最顶层Scorer 2的第一篇文档3，于是退出内循环。此时检查，发现文档2的nrMatchers为3，小于minimumNrMatchers，不满足条件。于是currentDoc设为最顶层Scorer 2的第一篇文档3，nrMatchers设为1，重新进入下一轮循环。
- 最顶层的Scorer 2取得下一篇文档，为文档5，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 4的第一篇文档号，都为3，文档3的nrMatchers为2。
- 最顶层的Scorer 4取得下一篇文档，为文档7，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 0的第一篇文档号，都为3，文档3的nrMatchers为3。
- 最顶层的Scorer 0取得下一篇文档，为文档5，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc还为3，不等于最顶层Scorer 0的第一篇文档5，于是退出内循环。此时检查，发现文档3的nrMatchers为3，小于minimumNrMatchers，不满足条件。于是currentDoc设为最顶层Scorer 0的第一篇文档5，nrMatchers设为1，重新进入下一轮循环。
- 最顶层的Scorer 0取得下一篇文档，为文档7，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 2的第一篇文档号，都为5，文档5的nrMatchers为2。
- 最顶层的Scorer 2取得下一篇文档，为文档7，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc还为5，不等于最顶层Scorer 2的第一篇文档7，于是退出内循环。此时检查，发现文档5的nrMatchers为2，小于minimumNrMatchers，不满足条件。于是currentDoc设为最顶层Scorer 2的第一篇文档7，nrMatchers设为1，重新进入下一轮循环。
- 最顶层的Scorer 2取得下一篇文档，为文档8，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 3的第一篇文档号，都为7，文档7的nrMatchers为2。
- 最顶层的Scorer 3取得下一篇文档，为文档9，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 4的第一篇文档号，都为7，文档7的nrMatchers为3。
- 最顶层的Scorer 4取得下一篇文档，结果为空，Scorer 4所有的文档遍历完毕，弹出队列，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc等于最顶层Scorer 0的第一篇文档号，都为7，文档7的nrMatchers为4。
- 最顶层的Scorer 0取得下一篇文档，为文档9，重新调整最小堆后如下图。此时currentDoc还为7，不等于最顶层Scorer 1的第一篇文档8，于是退出内循环。此时检查，发现文档7的nrMatchers为4，大于等于minimumNrMatchers，满足条件，返回true，退出外循环。
(4) currentDoc设为7，在收集文档的过程中，DisjunctionSumScorer.docID()会被调用，返回currentDoc，也即当前的文档号为7。
(5) 当再次调用nextDoc()的时候，文档8, 9, 11都不满足要求，最后返回NO_MORE_DOCS，倒排表合并结束。
2.4.3.3、差集ReqExclScorer(+A -B)
ReqExclScorer有成员变量Scorer reqScorer表示必须满足的部分(required)，成员变量DocIdSetIterator exclDisi表示必须不能满足的部分，ReqExclScorer就是返回reqScorer和exclDisi的倒排表的差集，也即在reqScorer的倒排表中排除exclDisi中的文档号。
当nextDoc()调用的时候，首先取得reqScorer的第一个文档号，然后toNonExcluded()函数则判断此文档号是否被exclDisi排除掉，如果没有，则返回此文档号，如果排除掉，则取下一个文档号，看是否被排除掉，依次类推，直到找到一个文档号，或者返回NO_MORE_DOCS。
| public int nextDoc() throws IOException { if (reqScorer == null) { return doc; } doc = reqScorer.nextDoc(); if (doc == NO_MORE_DOCS) { reqScorer = null; return doc; } if (exclDisi == null) { return doc; } return doc = toNonExcluded(); } |
| private int toNonExcluded() throws IOException { //取得被排除的文档号 int exclDoc = exclDisi.docID(); //取得当前required文档号 int reqDoc = reqScorer.docID(); do { //如果required文档号小于被排除的文档号，由于倒排表是按照从小到大的顺序排列的，因而此required文档号不会被排除，返回。 if (reqDoc < exclDoc) { return reqDoc; } else if (reqDoc > exclDoc) { //如果required文档号大于被排除的文档号，则此required文档号有可能被排除。于是exclDisi移动到大于或者等于required文档号的文档。 exclDoc = exclDisi.advance(reqDoc); //如果被排除的倒排表遍历结束，则required文档号不会被排除，返回。 if (exclDoc == NO_MORE_DOCS) { exclDisi = null; return reqDoc; } //如果exclDisi移动后，大于required文档号，则required文档号不会被排除，返回。 if (exclDoc > reqDoc) { return reqDoc; // not excluded } } //如果required文档号等于被排除的文档号，则被排除，取下一个required文档号。 } while ((reqDoc = reqScorer.nextDoc()) != NO_MORE_DOCS); reqScorer = null; return NO_MORE_DOCS; } |
2.4.3.4、ReqOptSumScorer(+A B)
ReqOptSumScorer包含两个成员变量，Scorer reqScorer代表必须(required)满足的文档倒排表，Scorer optScorer代表可以(optional)满足的文档倒排表。
如代码显示，在nextDoc()中，返回的就是required的文档倒排表，只不过在计算score的时候打分更高。
| public int nextDoc() throws IOException { return reqScorer.nextDoc(); } |
2.4.3.5、有关BooleanScorer及scoresDocsOutOfOrder
在BooleanWeight.scorer生成Scorer树的时候，除了生成上述的BooleanScorer2外， 还会生成BooleanScorer，是在以下的条件下：
- !scoreDocsInOrder：根据2.4.2节的步骤(c)，scoreDocsInOrder = !collector.acceptsDocsOutOfOrder()，此值是在search中调用TopScoreDocCollector.create(nDocs, !weight.scoresDocsOutOfOrder())的时候设定的，scoreDocsInOrder = !weight.scoresDocsOutOfOrder()，其代码如下：
| public boolean scoresDocsOutOfOrder() { int numProhibited = 0; for (BooleanClause c : clauses) { if (c.isRequired()) { return false; } else if (c.isProhibited()) { ++numProhibited; } } if (numProhibited > 32) { return false; } return true; } |
- topScorer：根据2.4.2节的步骤(c)，此值为true。
- required.size() == 0，没有必须满足的子语句。
- prohibited.size() < 32，不需不能满足的子语句小于32。
从上面可以看出，最后两个条件和scoresDocsOutOfOrder函数中的逻辑是一致的。
下面我们看看BooleanScorer如何合并倒排表的：
|
public int nextDoc() throws IOException { boolean more; do { //bucketTable等于是存放合并后的倒排表的文档队列 while (bucketTable.first != null) { //从队列中取出第一篇文档，返回 current = bucketTable.first; bucketTable.first = current.next; if ((current.bits & prohibitedMask) == 0 && (current.bits & requiredMask) == requiredMask && current.coord >= minNrShouldMatch) { return doc = current.doc; } } //如果队列为空，则填充队列。 more = false; end += BucketTable.SIZE; //按照Scorer的顺序，依次用Scorer中的倒排表填充队列，填满为止。 for (SubScorer sub = scorers; sub != null; sub = sub.next) { Scorer scorer = sub.scorer; sub.collector.setScorer(scorer); int doc = scorer.docID(); while (doc < end) { sub.collector.collect(doc); doc = scorer.nextDoc(); } more |= (doc != NO_MORE_DOCS); } } while (bucketTable.first != null || more); return doc = NO_MORE_DOCS; } |
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public final void collect(final int doc) throws IOException { final BucketTable table = bucketTable; final int i = doc & BucketTable.MASK; Bucket bucket = table.buckets[i]; if (bucket == null) table.buckets[i] = bucket = new Bucket(); if (bucket.doc != doc) { bucket.doc = doc; bucket.score = scorer.score(); bucket.bits = mask; bucket.coord = 1; bucket.next = table.first; table.first = bucket; } else { bucket.score += scorer.score(); bucket.bits |= mask; bucket.coord++; } } |
从上面的实现我们可以看出，BooleanScorer合并倒排表的时候，并不是按照文档号从小到大的顺序排列的。
从原理上我们可以理解，在AND的查询条件下，倒排表的合并按照算法需要按照文档号从小到大的顺序排列。然而在没有AND的查询条件下，如果都是OR，则文档号是否按照顺序返回就不重要了，因而scoreDocsInOrder就是false。
因而上面的DisjunctionSumScorer，其实"apple boy dog"是不能产生DisjunctionSumScorer的，而仅有在有AND的查询条件下，才产生DisjunctionSumScorer。
我们做实验如下：
对于查询语句"apple boy dog"，生成的Scorer如下：
| scorer BooleanScorer (id=34) |
对于查询语句"+hello (apple boy dog)"，生成的Scorer对象如下：
| scorer BooleanScorer2 (id=40) //weight(contents:apple) //weight(contents:boy) //weight(contents:cat) |