DuckDB: 向量索引(vss)的一些注意事项

DuckDB最近添加了向量索引,这对于刚刚进入人工智能领域的人来说非常棒,但他们仍然喜欢成熟SQL(以及嵌入式/无服务器数据库)的温暖舒适。

VSS索引旨在加快搜索速度——DuckDB已经提供了相似性/距离函数和向量/数组数据类型,所以严格来说,它是一个有就好而不是必须的特性,特别是当您有几个(1000个而不是数百万个)文档时,并且可以在不减慢速度的情况下执行强行全表扫描。
在这里插入图片描述

查询计划

一旦添加了向量索引,就有必要检查DB是否确实使用了索引,特别是对于您想要加速的查询,以及它们是否确实运行得更快。

这篇文章介绍了一些向量搜索SQL查询和它们相关的查询计划。对于那些不习惯阅读查询计划的人,这里有一个快速且非常简单的入门:

  • 每个“框”或节点是数据库在处理查询时执行的一个步骤或操作。操作可以类似于Order By(需要根据某些标准对行进行排序)或Projection(需要选择部分或全部列并忽略其余列)。

  • 通常查询计划是树状或dag状的但我们今天要讲的所有查询计划都是线性的(即一步接着下一步等等)

  • 在OLAP数据库(如DuckDB)中,索引并不是那么重要,因为大多数查询都将扫描整个表(而不是选择一两行来执行事务)。但是,对于某些特殊情况,如全文搜索或向量相似性搜索,索引在OLAP数据库中仍然非常重要。

  • 在我们的示例中,一旦向量索引就绪,我们需要在查询计划中查找节点,其中DB正在执行索引扫描(HNSW_INDEX_SCAN),表明它没有通过顺序扫描(SEQ_SCAN)强行执行。

VSS索引示例

让我们从一些测试数据开始,然后创建索引。在DuckDB中使用矢量索引要记住的第一件事是在运行查询之前总是加载扩展-如果你不这样做,DuckDB不会警告你,它会简单地选择顺序扫描:

install vss;
load vss;
# D set hnsw_enable_experimental_persistence=true;  如果不是内存模式,需要增加该设置项
create table tbl (id integer primary key, vec float[3]);

insert into tbl
select a, array_value(a, a+1,a+2)
from range(1, 1000) ra(a);

create index idx on tbl using hnsw (vec);

limit子句非常有必要

如果没有limit子句,DuckDB会选择顺序扫描——这是正确的操作。这应该不用说了(特别是对于top-K查询),但仍然值得一提:

让我们做一个解释来获取查询计划。

当省略限制子句时:

explain
select * from tbl
order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc;

返回结果显示采用了顺序扫描(看最后部分):

┌─────────────────────────────┐
│┌───────────────────────────┐│
││       Physical Plan       ││
│└───────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│__internal_decompress_integ│
│     ral_integer(#0, 1)    │
│             #1            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│          ORDER_BY         │
│    ────────────────────   │
│           #2 ASC          │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│__internal_compress_integra│
│     l_usmallint(#0, 1)    │
│             #1            │
│             #2            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            vec            │
│ array_distance(vec, [1.0, │
│         2.0, 3.0])        │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         SEQ_SCAN          │
│    ────────────────────   │
│            tbl            │
│                           │
│        Projections:       │
│             id            │
│            vec            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└───────────────────────────┘

增加limit子句:

explain
select * from tbl
order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
limit 10;

结果显示采用了索引扫描:

┌─────────────────────────────┐
│┌───────────────────────────┐│
││       Physical Plan       ││
│└───────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #1            │
│                           │
│          ~10 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            vec            │
│            NULL           │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│      HNSW_INDEX_SCAN      │
│    ────────────────────   │
│tbl (HNSW INDEX SCAN : idx)│
│                           │
│        Projections:       │
│             id            │
│            vec            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└───────────────────────────┘

窗口查询和向量索引

关于向量搜索,有些情况下窗口查询非常方便,例如在执行互惠排名融合(Reciprocal Rank Fusion,简称 RRF)时。然而,在这种情况下,让DuckDB选择索引扫描是相当困难的。

让我们从下面的查询开始:

select
    id,
    rank() over(
        order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
    ) as rank,
from tbl;

它返回每个元组。由于where子句不能包含窗口函数的值,因此我们需要将其封装在CTE中,以便获得排名最高的行:

explain
with res as (
    select
        id,
        rank() over(
            order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
        ) as rank,
    from tbl
)
select * from res
where rank <= 10;

结果显示执行了顺序扫描:

┌─────────────────────────────┐
│┌───────────────────────────┐│
││       Physical Plan       ││
│└───────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #2            │
│                           │
│         ~199 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│           FILTER          │
│    ────────────────────   │
│        (rank <= 10)       │
│                           │
│         ~199 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #1            │
│             #2            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│           WINDOW          │
│    ────────────────────   │
│        Projections:       │
│   RANK() OVER (ORDER BY   │
│  array_distance(vec, [1.0,│
│ 2.0, 3.0]) ASC NULLS LAST)│
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         SEQ_SCAN          │
│    ────────────────────   │
│            tbl            │
│                           │
│        Projections:       │
│             id            │
│            vec            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└───────────────────────────┘

既然不行,我们可以依赖于隐含的事实,即window子句为我们排序行,因此我们可以插入limit子句:

explain
select
    id,
    rank() over(
        order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
    ) as rank,
from tbl
limit 10;

但是,这没有多大帮助,db仍然会对这种情况进行顺序扫描。回到CTEs:通过稍微重写它,我们可以让DB使用索引扫描:

explain
with t as (
    select id, vec
    from tbl
    order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
    limit 10
)
select
    id,
    rank() over(
        order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
    ) as rank
from t

这次采用索引扫描:

┌─────────────────────────────┐
│┌───────────────────────────┐│
││       Physical Plan       ││
│└───────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            rank           │
│                           │
│          ~10 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #1            │
│             #2            │
│                           │
│          ~10 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│           WINDOW          │
│    ────────────────────   │
│        Projections:       │
│   RANK() OVER (ORDER BY   │
│  array_distance(vec, [1.0,│
│ 2.0, 3.0]) ASC NULLS LAST)│
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #1            │
│                           │
│          ~10 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            vec            │
│            NULL           │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│      HNSW_INDEX_SCAN      │
│    ────────────────────   │
│tbl (HNSW INDEX SCAN : idx)│
│                           │
│        Projections:       │
│             id            │
│            vec            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└───────────────────────────┘

如果我们把limit子句移到“外部”会怎么样:

explain
with t as (
    select id, vec
    from tbl
    order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
)
select
    id,
    rank() over(
        order by array_distance(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
    ) as rank
from t
limit 10 -- it's now here

不幸的是,这让我们回到了顺序扫描:

┌─────────────────────────────┐
│┌───────────────────────────┐│
││       Physical Plan       ││
│└───────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            rank           │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│           LIMIT           │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #1            │
│             #2            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│           WINDOW          │
│    ────────────────────   │
│        Projections:       │
│   RANK() OVER (ORDER BY   │
│  array_distance(vec, [1.0,│
│ 2.0, 3.0]) ASC NULLS LAST)│
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│__internal_decompress_integ│
│     ral_integer(#0, 1)    │
│             #1            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│          ORDER_BY         │
│    ────────────────────   │
│           #2 ASC          │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│__internal_compress_integra│
│     l_usmallint(#0, 1)    │
│             #1            │
│             #2            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            vec            │
│ array_distance(vec, [1.0, │
│         2.0, 3.0])        │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         SEQ_SCAN          │
│    ────────────────────   │
│            tbl            │
│                           │
│        Projections:       │
│             id            │
│            vec            │
│                           │
│         ~999 Rows         │
└───────────────────────────┘

余弦举例与余弦相似度

下面采用余弦相似度进行测试:

create or replace table tbl (id integer primary key, vec float[3]);
insert into tbl select a, array_value(a, a+1,a+2) from range(1, 1000) ra(a);

load vss;
create index idx on tbl using hnsw (vec) with (metric='cosine');

explain
select * from tbl
order by array_cosine_similarity(vec, [1, 2, 3]::float[3]) desc
limit 10;

在运行时,db执行顺序扫描。请注意,我们必须使用上面的desc,即从最大的相似分数到最低的顺序,然后选择最高的k。余弦相似分数的范围从1到-1,与查询嵌入相似的值更接近1。

┌─────────────────────────────┐
│┌───────────────────────────┐│
││       Physical Plan       ││
│└───────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #1            │
│                           │
│          ~0 Rows          │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│           TOP_N           │
│    ────────────────────   │
│          Top: 10          │
│     Order By: #2 DESC     │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            vec            │
│  array_cosine_similarity  │
│   (vec, [1.0, 2.0, 3.0])  │
│                           │
│          ~0 Rows          │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         SEQ_SCAN          │
│    ────────────────────   │
│            tbl            │
│                           │
│        Projections:       │
│             id            │
│            vec            │
│                           │
│          ~0 Rows          │
└───────────────────────────┘

让我们切换到asc,即从最不相似到最相似的顺序:

explain
select * from tbl
order by array_cosine_similarity(vec, [1, 2, 3]::float[3]) asc
limit 10;

也没有采用索引扫描,我们从余弦距离切换到余弦相似度:

explain
select * from tbl
order by (1 - array_cosine_similarity(vec, [1, 2, 3]::float[3])) asc
limit 10;

这次db选择了索引扫描:

┌─────────────────────────────┐
│┌───────────────────────────┐│
││       Physical Plan       ││
│└───────────────────────────┘│
└─────────────────────────────┘
┌───────────────────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             #0            │
│             #1            │
│                           │
│          ~0 Rows          │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│         PROJECTION        │
│    ────────────────────   │
│             id            │
│            vec            │
│            NULL           │
│                           │
│          ~0 Rows          │
└─────────────┬─────────────┘
┌─────────────┴─────────────┐
│      HNSW_INDEX_SCAN      │
│    ────────────────────   │
│tbl (HNSW INDEX SCAN : idx)│
│                           │
│        Projections:       │
│             id            │
│            vec            │
│                           │
│          ~0 Rows          │
└───────────────────────────┘
  • 余弦相似度(Cosine Similarity):它是通过计算两个向量之间的夹角余弦值来衡量它们的相似程度。余弦相似度的取值范围是[-1, 1],但通常在文本处理、图像识别等应用场景中,其值范围是[0, 1],值越接近,表示两个向量越相似。
  • 余弦距离(Cosine Distance):它是用减去余弦相似度得到的结果,用于衡量两个向量之间的差异程度。余弦距离的取值范围是[0, 2],值越接近,表示两个向量越相似。
  • 余弦距离=1-余弦相似度距离,余弦距离为0,这意味着两个向量之间的差异程度很低。
    在这里插入图片描述

总结

经过测试,limit位置和距离算法会影响数据库选择索引,当然未来DuckDB会优化的更好,我们也可以采用第三方索引进行规避。

评论
成就一亿技术人!
拼手气红包6.0元
还能输入1000个字符
 
红包 添加红包
表情包 插入表情
 条评论被折叠 查看
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值