关于开源中文搜索引擎架构coreseek中算法详解

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1. 中文分词算法-MMSeg算法原理

要理解mmseg算法,首先来理解一下chunk,它是MMSeg分词算法中一个关键的概念。Chunk中包含依据上下文分出的一组词和相关的属性,包括长度(Length)、平均长度(Average Length)、标准差的平方(Variance)和自由语素度(Degree Of Morphemic Freedom)。下面列出了这4个属性:

 

属性

含义

长度(Length)

chuck中各个词的长度之和

平均长度(Average Length)

长度(Length)/词数

标准差的平方(Variance)

同数学中的定义

自由语素度(Degree Of Morphemic Freedom)

各单字词词频的对数之和

 

 


Chunk中的4个属性只有在需要该属性的值时才进行计算,而且只计算一次。

其次来理解一下规则(Rule),它是MMSeg分词算法中的又一个关键的概念。实际上我们可以将规则理解为一个过滤器(Filter),过滤掉不符合要求的chunk。MMSeg分词算法中涉及了4个规则:

·         规则1:取最大匹配的chunk (Rule 1: Maximum matching)

·         规则2:取平均词长最大的chunk (Rule 2: Largest average word length)

·         规则3:取词长标准差最小的chunk (Rule 3: Smallest variance of word lengths)

·         规则4:取单字词自由语素度之和最大的chunk (Rule 4: Largest sum of degree of morphemic freedom of one-character words)

4个规则符合汉语成词的基本习惯。

再来理解一下匹配方式复杂最大匹配(Complex maximum matching):

复杂最大匹配先使用规则1来过滤chunks,如果过滤后的结果多于或等于2,则使用规则2继续过滤,否则终止过滤过程。如果使用规则2得到的过滤结果多于或等于2,则使用规则3继续过滤,否则终止过滤过程。如果使用规则3得到的过滤结果多于或等于2,则使用规则4继续过滤,否则终止过滤过程。如果使用规则 4得到的过滤结果多于或等于2,则抛出一个表示歧义的异常,否则终止过滤过程。

最后通过一个例句--“研究生命起源"来简述一下复杂最大匹配的分词过程。MMSeg分词算法会得到7个chunk,分别为:

 

编号

chunk

长度

0

_究_生

3

1

_究_生命

4

2

研究_生_命

4

3

研究_生命_起

5

4

研究_生命_起源

6

5

研究生_命_起

5

6

研究生_命_起源

6

 

使用规则1过滤后得到2个chunk,如下:

 

编号

chunk

长度

4

研究_生命_起源

6

6

研究生_命_起源

6

 

计算平均长度后为:

 

编号

chunk

长度

平均长度

4

研究_生命_起源

6

2

6

研究生_命_起源

6

2

 

使用规则2过滤后得到2个chunk,如下:

 

编号

chunk

长度

平均长度

4

研究_生命_起源

6

2

6

研究生_命_起源

6

2

 

计算标准差的平方后为:

 

编号

chunk

长度

平均长度

标准差的平方

4

研究_生命_起源

6

2

0

6

研究生_命_起源

6

2

4/9

 

使用规则3过滤后得到1个chunk,如下:

 

编号

chunk

长度

平均长度

标准差的平方

4

研究_生命_起源

6

2

0

 

匹配过程终止。最终取“研究”成词,以相同的方法继续处理“生命起源”。

分词效果:

研究_生命_起源_
研究生_教育_

 

 

二. N-gram算法

1. 算法原理

N-gram是一种基于统计语言模型的算法。

统计语言模型的基本原理公式是:

假设一个句子S可以表示为一个序列S=w1w2…wn,语言模型就是要求句子S的概率P(S):

这个概率的计算量太大,解决问题的方法是将所有历史w1w2…wi-1按照某个规则映射到等价类S(w1w2…wi-1),等价类的数目远远小于不同历史的数目,即假定:



N-Gram模型

当两个历史的最近的N-1个词(或字)相同时,映射两个历史到同一个等价类,在此情况下的模型称之为N-Gram模型。

N-Gram模型实质是一种马尔科夫链。 N的值不能太大,否则计算仍然太大。

根据最大似然估计,语言模型的参数:

 

其中,C(w1w2…wi)表示w1w2…wi在训练数据中出现的次数

在分词中的应用

我们回到句子的概率计算公式:假设一个句子S可以表示为一个序列S=w1w2…wn,语言模型就是要求句子S的概率P(S):


对于中文来说,一个句子的序列划分有多种方式,

S=w1w2w3....wn

S = a1a2a3....ak

......等等

不同的划分计算出来的句子的概率是不一样的。我们把整个句子最大概率的划分方式作为第一个词的划分结果,然后分词窗口后移,继续下一步。


 

 

三. Bm25算法

1. 算法原理

 

BM25算法,通常用来作搜索相关性平分。一句话概况其主要思想:对Query进行语素解析,生成语素qi;然后,对于每个搜索结果D,计算每个语素qi与D的相关性得分,最后,将qi相对于D的相关性得分进行加权求和,从而得到Query与D的相关性得分。

BM25算法的一般性公式如下:

 

 

其中,Q表示Query,qi表示Q解析之后的一个语素(对中文而言,我们可以把对Query的分词作为语素分析,每个词看成语素qi。);d表示一个搜索结果文档;Wi表示语素qi的权重;R(qi,d)表示语素qi与文档d的相关性得分。

下面我们来看如何定义Wi。判断一个词与一个文档的相关性的权重,方法有多种,较常用的是IDF。这里以IDF为例,公式如下:

 

其中,N为索引中的全部文档数,n(qi)为包含了qi的文档数。

根据IDF的定义可以看出,对于给定的文档集合,包含了qi的文档数越多,qi的权重则越低。也就是说,当很多文档都包含了qi时,qi的区分度就不高,因此使用qi来判断相关性时的重要度就较低。

我们再来看语素qi与文档d的相关性得分R(qi,d)。首先来看BM25中相关性得分的一般形式:

 

 

 

其中,k1,k2,b为调节因子,通常根据经验设置,一般k1=2,b=0.75;fi为qi在d中的出现频率,qfi为qi在Query中的出现频率。dl为文档d的长度,avgdl为所有文档的平均长度。由于绝大部分情况下,qi在Query中只会出现一次,即qfi=1,因此公式可以简化为:

 

K的定义中可以看到,参数b的作用是调整文档长度对相关性影响的大小。b越大,文档长度的对相关性得分的影响越大,反之越小。而文档的相对长度越长,K值将越大,则相关性得分会越小。这可以理解为,当文档较长时,包含qi的机会越大,因此,同等fi的情况下,长文档与qi的相关性应该比短文档与qi的相关性弱。

综上,BM25算法的相关性得分公式可总结为:

 

BM25的公式可以看到,通过使用不同的语素分析方法、语素权重判定方法,以及语素与文档的相关性判定方法,我们可以衍生出不同的搜索相关性得分计算方法,这就为我们设计算法提供了较大的灵活性。

 

四. 内存外排序算法

1. 算法原理

外部排序基本上由两个相互独立的阶段组成。首先,按可用内存大小,将外存上含n个记
录的文件分成若干长度为k的子文件或段(segment),依次读入内存并利用有效的内部排
序方法对它们进行排序,并将排序后得到的有序子文件重新写入外存。通常称这些有序
子文件为归并段或顺串;然后,对这些归并段进行逐趟归并,使归并段(有序子文件)逐
渐由小到大,直至得到整个有序文件为止。

2.代码实现

sphinx.cpp文件中的函数int CSphIndex_VLN::Build ( )中,建立索引的过程需要进行两次分析排序。第一次分析的时候,会将读取的原始数据拆分成一个个一个数据桶(bin),数据桶内部是排序好的;第二次分析的时候,采用的是内存外排序。摘录代码如下。

五.Trie tree算法

1. 算法原理

Trie树就是字典树,其核心思想就是空间换时间。

举个简单的例子。

       给你100000个长度不超过10的单词。对于每一个单词,我们要判断他出没出现过,如果出现了,第一次出现第几个位置。
       这题当然可以用hash来,但是我要介绍的是trie树。在某些方面它的用途更大。比如说对于某一个单词,我要询问它的前缀是否出现过。这样hash就不好弄了,而用trie还是很简单。
       现在回到例子中,假设我要查询的单词是abcd,那么在他前面的单词中,以b,c,d,f之类开头的我显然不必考虑。而只要找以a开头的中是否存在abcd就可以了。同样的,在以a开头中的单词中,我们只要考虑以b作为第二个字母的……这样一个树的模型就渐渐清晰了……
假设有b,abc,abd,bcd,abcd,efg,hii这6个单词,我们构建的树就是这样的。

 

 

对于每一个节点,从根遍历到他的过程就是一个单词,如果这个节点被标记为红色,就表示这个单词存在,否则不存在。如果存在,则读取附在该结点上的信息,即完成查找。
其他操作类似处理。
      那么,对于一个单词,我只要顺着他从跟走到对应的节点,再看这个节点是否被标记为红色就可以知道它是否出现过了。把这个节点标记为红色,就相当于插入了这个单词。       这样一来我们询问和插入可以一起完成。

       我们可以看到,trie树每一层的节点数是26^i级别的(i表示层数)。所以为了节省空间。我们用动态链表,或者用数组来模拟动态。空间的花费,不会超过单词数×单词长度。

Trie树的缺点是内存耗费大,尤其对于中文,因为中文字数多,词汇排列多,导致内存耗费非常大。一般会使用double array trie的方式来实现,以便减少内存耗费。

 

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