Lucene Hack之通过缩小搜索结果集来提升性能

作者：caocao（网络隐士），http://www.caocao.name，http://www.caocao.mobi
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一、缘起
Lucene在索引文件上G之后的搜索性能下降很严重，随便跑个搜索就要上0.x秒。如果是单线程搜索那么性能尚可，总可以在0.x秒返回结果，如果是Web式的多线程访问，由于Lucene的内部机制导致数据被大量载入内存，用完后立即丢弃，随之引起JVM频繁GC，性能极其低下，1-10秒的长连接比比皆是。这也是世人为之诟病的Lucene应用瓶颈问题，那么是否有解决方法呢？

二、思路
我们来观察Google, Baidu的搜索，有一个总体的感觉就是搜索结果多的关键词耗时比较少，结果少的关键词耗时反而多，且结果多的时候会说“约******个结果”。隐士猜测Google, Baidu的算法是找到前n个结果后停止扫描索引，根据前n个结果来推断总共有多少个结果，此猜想可由Google, Baidu翻页限制而得到部分验证。
再看Lucene，其Hits.length()返回的总是精确的结果，如果可以让Lucene也返回模糊的结果，那么索引文件就算是10G也可以轻松应对了。

三、探索
隐士带着这个问题访名山、觅高人，可惜没有找到前人的成果，可能是隐士走的路不够勤，如有类似的解决方案，隐士不吝赐教。
无奈之下，隐士详细研究了Lucene 2.1.0源码，准备重新发明轮子。
一般来说大多数搜索应用中的Query都会落在BooleanQuery上，隐士就拿它开刀。一路看来，BooleanScorer2里的一个method吸引了隐士，代码如下：

 

代码

public void score(HitCollector hc) throws IOException {
  if (countingSumScorer == null) {
    initCountingSumScorer();
  }
  while (countingSumScorer.next()) {
    hc.collect(countingSumScorer.doc(), score());
  }
}

<script>render_code();</script>

 

在while循环里嵌入写日志代码可证结果集有多大，此处就循环了多少次。countingSumScorer.next()的意思是找到下一个符合boolean规则的document，找到后放入HitCollector，这HitCollector后面会换个马甲放在大家熟悉的Hits里面。
如果可以在这个while循环里嵌一个break，到一定数量就break出来，性能提升将相当明显。这个代码相当简单，果然大幅提高了性能，带来的副作用是结果不太准，这个可以通过调整业务模型、逻辑来修正。毕竟这是一条提升Lucene性能的有效方法。
细细想来，正是由于这个break会导致结果集大的关键词提前出来，搜索时间少，结果集小的关键词不可避免会走完整个索引，相应的搜索时间会长一点。

四、效果
由于具体嵌入代码的过程极其繁琐，隐士将在第二回详细讲解。这第一回先来个Big picture。
历尽千辛万苦，隐士终于搞定了这套程序，效果可以从隐士做的视频搜索http://so.mdbchina.com/video/%E7%BE%8E%E5%A5%B3看出。
这个关键词“美女”可以找到18万个视频，平均0.5秒返回结果，现在用上了新算法，只要0.06x秒返回结果，而且返回结果足够好了，估算的8.5万个结果虽然离18万有很大差距，不过由于是估算的，差2-3倍应属可以接受的。
由算法的特性可知，while里面的hc.collect总可以在常量时间内完成，循环次数又是<=常量，该算法的时间复杂度只和BooleanQuery的复杂程度相关，和索引文件大小以及命中的Document在索引文件内的分布密度没有关系，因为BooleanQuery的复杂程度决定了countingSumScorer.next()需要经过多少次判断、多少次读取索引文件，countingSumScorer.next()正是整个算法中耗时不定的部分。
现在这个视频搜索的索引文件接近3G，热门关键词可以在0.0x秒返回结果，隐士相信即使以后索引文件上到10G，依然可以在0.0x秒返回结果。

五、原则
1、不改动lucene-core的代码
肆意改动lucene-core的代码实在是很不道德的事情，而且会导致后期维护升级的大量问题。如果真的有这等迫切需求，还不如加入lucene开发组，尽一份绵薄之力。看官说了，隐士你怎么不去啊，唉，代码比较丑陋，没脸去人家那里，后文详述。
2、不改动lucene索引文件格式
道理同上。
3、替换常规搜索的接口尽量少
这样可以方便来回切换标准搜索和这个搜索，减小代码修改、维护的成本。
4、命名规范
所有增加的类名均以Inaccurate开头，其余遵循lucene命名规范。

六、限制
1、隐士只做了BooleanWeight2的替代品，如果Weight不是BooleanWeight2，则等同于常规搜索。
2、如果搜索结果集小于等于最大允许的结果集，则等同于常规搜索。

七、文件

代码

org.apache.lucene.search
    InaccurateBooleanScorer2.java // BooleanScorer2的替代品
    InaccurateBooleanWeight2.java // BooleanWeight2的替代品
    InaccurateHit.java // Hit的替代品
    InaccurateHitIterator.java // HitIterator的替代品
    InaccurateHits.java // Hits的替代品
    InaccurateIndexSearcher.java // IndexSearcher的替代品
org.apache.lucene.util
    InaccurateResultAggregation.java // 放搜索统计信息的value object

<script>render_code();</script>

 

八、实战
1、InaccurateIndexSearcher
InaccurateIndexSearcher extends IndexSearcher，结构很简单，增加了两个成员变量：maxNumberOfDocs和inaccurateResultAggregation，以及几个methods。
丑陋的部分来了：

代码

public void search(Weight weight, Filter filter, final HitCollector results, boolean ascending) throws IOException {
...
  if (weight.getClass().getSimpleName().equals("BooleanWeight2")) { // hook BooleanWeight2
   InaccurateBooleanWeight2 inaccurateBooleanWeight2 = new InaccurateBooleanWeight2(
     this, weight.getQuery());
   float sum = inaccurateBooleanWeight2.sumOfSquaredWeights();
   float norm = this.getSimilarity().queryNorm(sum);
   inaccurateBooleanWeight2.normalize(norm); // bad smell
   InaccurateBooleanScorer2 inaccurateBooleanScorer2 = inaccurateBooleanWeight2
     .getInaccurateBooleanScorer2(reader, maxNumberOfDocs);
   if (inaccurateBooleanScorer2 != null) {
    inaccurateResultAggregation = inaccurateBooleanScorer2
      .getInaccurateTopAggregation(collector, ascending);
   }
  } else {
   Scorer scorer = weight.scorer(reader);
   if (scorer != null) {
    scorer.score(collector);
   }
  }
...
}

<script>render_code();</script>
由于BooleanWeight2被lucene-core给藏起来了，instanceof都不能用，只好丑陋一把用weight.getClass().getSimpleName().equals("BooleanWeight2")。
把BooleanWeight2替换为InaccurateBooleanWeight2后代码老是搜不到任何结果，经过千辛万苦地调试才发现BooleanWeight2初始化后并不算完，需要拿到sum、norm，然后normalize一把，有点bad smell。
接着从InaccurateBooleanWeight2里拿到InaccurateBooleanScorer2，调用getInaccurateTopAggregation搜一把，这里ascending并没有发挥作用，原因相当复杂，隐士引入ascending的本意是调整lucene扫描索引的方式，docID小->大或docID大->小，后来调整了建索引的方式就不需要这个了，所以隐士只是留这个接口以后用，万一以后lucene-core支持双向扫描索引即可启用。
2、InaccurateHits
InaccurateIndexSearcher里面调用search其实是调用new InaccurateHits(this, query, null, sort, ascending)。getMoreDocs会反向调用新写的search方法。
上代码：

代码

...
TopDocs topDocs = (sort == null) ? searcher.search(weight, filter, n,
    ascending) : searcher
    .search(weight, filter, n, sort, ascending);
  length = topDocs.totalHits;
  InaccurateResultAggregation inaccurateResultAggregation = searcher
    .getInaccurateResultAggregation();
  if (inaccurateResultAggregation == null) {
   totalLength = length;
  } else {
   accurate = inaccurateResultAggregation.isAccurate();
   if (inaccurateResultAggregation.isAccurate()) {
    totalLength = inaccurateResultAggregation
      .getNumberOfRecordsFound();
   } else {
    int maxDocID = searcher.maxDoc();
    totalLength = 1000 * ((int) Math
      .ceil((0.001
        * maxDocID
        / (inaccurateResultAggregation.getLastDocID() + 1) * inaccurateResultAggregation
        .getNumberOfRecordsFetched()))); // guessing how many records there are
    }
  }
...

<script>render_code();</script>
代码没什么特别的，除了一个猜测记录总数的算法。lucene从docID小向大的扫，由于上回说了扫到一半会跳出来，那么由最后扫到的lastDocID和maxDocID的比例可以猜测总共有多少条记录，虽然不是很准，但是数量级的精度是可以保证的，反正一般用户只能看到前1000条记录，具体有多少对用户来说不过是过眼云烟。
3、InaccurateBooleanWeight2
InaccurateBooleanWeight2没什么好说的，就是个拿到InaccurateBooleanScorer2的跳板。
4、InaccurateBooleanScorer2
InaccurateBooleanScorer2的代码均来自BooleanScorer2，由于BooleanScorer2从设计上来说并不准备被继承，隐士只好另起炉灶，bad smell啊。隐士没有修改任何从BooleanScorer2过来的代码，只加了getMaxNumberOfDocs、getInaccurateTopAggregation、getAccurateBottomAggregation。getInaccurateTopAggregation是扫描到maxNumberOfDocs后立即跳出来，所以结果会有所不准，getAccurateBottomAggregation总是保留最后maxNumberOfDocs个结果，结果也会有所不准，但是统计值是准的，因为每次都走完了所有索引。由两者差异可知getAccurateBottomAggregation性能会差一点，准确性和性能不可兼得啊。

代码

public InaccurateResultAggregation getInaccurateTopAggregation(
  HitCollector hc, boolean ascending) throws IOException {
 // DeltaTime dt = new DeltaTime();
 if (countingSumScorer == null) {
  initCountingSumScorer();
 }
 int lastDocID = 0;
 boolean reachedTheEnd = true;
 int numberOfRecordsFetched = 0;
 while (countingSumScorer.next()) {
  lastDocID = countingSumScorer.doc();
  float score = score();
  hc.collect(lastDocID, score);
  numberOfRecordsFetched++;
  if (numberOfRecordsFetched >= maxNumberOfDocs) {
   reachedTheEnd = !countingSumScorer.next();
   break;
  }
 }
 // System.out.println(dt.getTimeElasped());
 /*
  * This method might cast the rest away. So it might be inaccurate.
  */
 return new InaccurateResultAggregation(lastDocID, ascending,
   reachedTheEnd, numberOfRecordsFetched, numberOfRecordsFetched);
}

public InaccurateResultAggregation getAccurateBottomAggregation(
  HitCollector hc, boolean ascending) throws IOException {
 // DeltaTime dt = new DeltaTime();
 if (countingSumScorer == null) {
  initCountingSumScorer();
 }
 LinkedList<ResultNode> resultNodes = new LinkedList<ResultNode>();
 boolean isFull = false;
 int lastDocID = 0;
 int index = 0;
 int numberOfRecordsFound = 0;
 while (countingSumScorer.next()) {
  lastDocID = countingSumScorer.doc();
  float score = score();
  resultNodes.add(new ResultNode(lastDocID, score));
  if (isFull) {
   resultNodes.removeFirst();
  }
  index++;
  numberOfRecordsFound++;
  if (index >= maxNumberOfDocs) {
   isFull = true;
   index = 0;
   // break;
  }
 }
 for (ResultNode resultNode : resultNodes) {
  hc.collect(resultNode.getDoc(), resultNode.getScore());
 }
 // System.out.println(dt.getTimeElasped());

 /*
  * Since this method runs full scan against all matched docs, it's
  * accurate at all.
  */
 return new InaccurateResultAggregation(lastDocID, ascending, true,
   resultNodes.size(), numberOfRecordsFound);
}

<script>render_code();</script>

 

九、总结
代码已经打包上传了，有隐士写的简略注释，调用方式写在readme.txt里面，只需要替换几行代码即可。
总的来说只要
1、将Searcher searcher = new IndexSearcher(reader);替换为InaccurateIndexSearcher searcher = new InaccurateIndexSearcher(reader, 5000);
2、将Hits hits = searcher.search(query);替换为InaccurateHits hits = searcher.search(query, sort, ascending);
就行了。欢迎大家试用，如果有什么改进，请务必把改进后的代码也开源给大家，互相学习，互相促进。
由于代码里面有几处有bad smell，隐士实在没脸去lucene开发组那里喊一嗓子。

inaccurate.rar
描述:	Lucene Extension	下载
文件名:	inaccurate.rar
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