Elasticsearch(+)倒排索引

本文深入探讨了Elasticsearch使用的倒排索引结构,详细解释了如何通过倒排索引实现快速全文搜索,并讨论了词干提取、同义词处理等高级主题。

Elasticsearch 使用一种叫做 倒排索引(inverted index)的结构来做快速的全文搜索。倒排索引由在文档中出现的唯一的单词列表,以及对于每个单词在文档中的位置组成。

例如,我们有两个文档,每个文档content字段包含:

  1. The quick brown fox jumped over the lazy dog

  2. Quick brown foxes leap over lazy dogs in summer

为了创建倒排索引,我们首先切分每个文档的content字段为单独的单词(我们把它们叫做词(terms)或者表征(tokens))(译者注:关于termstokens的翻译比较生硬,只需知道语句分词后的个体叫做这两个。),把所有的唯一词放入列表并排序,结果是这个样子的:

TermDoc_1Doc_2
Quick X
TheX 
brownXX
dogX 
dogs X
foxX 
foxes X
in X
jumpedX 
lazyXX
leap X
overXX
quickX 
summer X
theX 

现在,如果我们想搜索"quick brown",我们只需要找到每个词在哪个文档中出现即可:

TermDoc_1Doc_2
brownXX
quickX 
-----------------
Total21

两个文档都匹配,但是第一个比第二个有更多的匹配项。 如果我们加入简单的相似度算法(similarity algorithm),计算匹配单词的数目,这样我们就可以说第一个文档比第二个匹配度更高——对于我们的查询具有更多相关性。

但是在我们的倒排索引中还有些问题:

  1. "Quick""quick"被认为是不同的单词,但是用户可能认为它们是相同的。

  2. "fox""foxes"很相似,就像"dog""dogs"——它们都是同根词。

  3. "jumped""leap"不是同根词,但意思相似——它们是同义词。

上面的索引中,搜索"+Quick +fox"不会匹配任何文档(记住,前缀+表示单词必须匹配到)。只有"Quick""fox"都在同一文档中才可以匹配查询,但是第一个文档包含"quick fox"且第二个文档包含"Quick foxes"。(译者注:这段真啰嗦,说白了就是单复数和同义词没法匹配)

用户可以合理地希望两个文档都能匹配查询,我们也可以做得更好。

如果我们将词为统一为标准格式,这样就可以找到不是确切匹配查询,但是足以相似从而可以关联的文档。例如:

  1. "Quick"可以转为小写成为"quick"

  2. "foxes"可以被转为根形式"fox"。同理"dogs"可以被转为"dog"

  3. "jumped""leap"同义就可以只索引为单个词"jump"

现在的索引:

TermDoc_1Doc_2
brownXX
dogXX
foxXX
in X
jumpXX
lazyXX
overXX
quickXX
summer X
theXX

但我们还未成功。我们的搜索"+Quick +fox"依旧失败,因为"Quick"的确切值已经不在索引里,不过,如果我们使用相同的标准化规则处理查询字符串的content字段,查询将变成"+quick +fox",这样就可以匹配到两个文档。

IMPORTANT

这很重要。你只可以找到确实存在于索引中的词,所以索引文本和查询字符串都要标准化为相同的形式

这个标记化和标准化的过程叫做分词(analysis)

 

Elasticsearch倒排索引是一种用于高效查找文档中关键词的技术。它与传统的正向索引(例如将每个单词关联到包含该词的所有文档列表)相反,在倒排索引中,我们按照词频来组织数据。 ### 倒排索引的工作原理 1. **分词**:首先对输入文本进行分词处理,将其分解成一系列单独的词汇或短语。 2. **建立映射**:对于每种不同的词,创建一个指向所有包含这个词的文档的映射表。这使得可以快速找到所有包含特定词的文档集合。 3. **频率记录**:在映射表中不仅存储文档ID,还可能记录关键词出现的次数、位置等信息,以便更精确地定位匹配的文档。 ### Elasticsearch 中的应用 Elasticsearch 使用倒排索引作为其核心搜索机制之一,提供快速全文检索能力。以下是几个关键方面: #### 高效查询 - **简单而强大的查询语言**:支持复杂的布尔查询、通配符查询、范围查询等多种形式。 - **实时性和响应速度**:查询响应速度快,适合在线应用环境,能够即时更新索引和返回结果。 #### 扩展性和灵活性 - **分布式架构**:利用集群技术实现横向扩展,可以轻松处理大量数据和高并发请求。 - **动态调整配置**:无需重启即可动态修改设置,如增加节点、改变索引策略等。 #### 索引优化 - **智能缓存**:Elasticsearch 内置了高效的缓存机制,通过缓存热门查询的结果,显著提升查询性能。 - **自适应分析**:可以根据实际查询模式自动调整索引结构,提高检索效率。 #### 安全性和管理 - **权限控制**:支持细粒度的安全控制,保障敏感数据安全。 - **监控与诊断**:提供丰富的API和工具用于性能监控和故障排查。 ### 相关问题: 1. 倒排索引在搜索引擎中的作用是什么? 2. Elasticsearch如何优化倒排索引以提高查询性能? 3. 倒排索引对于大规模数据集的管理和查询有何优势和挑战? --- 通过以上解答,您可以了解Elasticsearch倒排索引的基本工作原理及其在实际应用中的重要作用。如果您有进一步的问题或需要更多深入的信息,请随时提问!
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