如何从零开始实现全文搜索引擎？

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大家好，我是你们的章鱼猫。今天推荐的是一篇优秀博文的翻译，原文地址：https://artem.krylysov.com/blog/2020/07/28/lets-build-a-full-text-search-engine/

全文搜索（Full-Text Search）是一个大家每天都会使用的工具，但是只有少部分人真正理解其背后的原理。如果你曾经使用 Google 搜索过，类似“Golang 覆盖率报告”或者在某些电子商务网站搜索“室内无线摄像头”，意味着你都使用过全文搜索。

全文搜索（英文简写 FTS）是一项在一系列文档中搜索文本的技术。文档可以是网页、报刊文章、Email 邮件或者任何结构化的文本。

今天我们要从零开始构建一个 FTS 搜索引擎。当你看完这篇博文，你将会了解如何在 1 毫秒延时的情况下搜索百万级的文档。“给我搜索出所有包含 cat 单词的文档”，我们会从以上一个简单的搜索词开始逐步去扩展我们的搜索引擎，甚至去支持更为复杂的布尔查询功能。

提示：众所周知的全文搜索引擎是 Lucene，而比较知名的工具 Elasticsearch 和 Solr 都是在 Lucene 基础上构建的。

为什么是全文搜索？

在我们开始写代码之前，你肯定会问为什么不直接使用 grep 工具，或者通过顺序的方式逐步去对每个文档进行遍历？我们当然可以这样干，但是这并不是一个好的解决方案。

搜索语料

我们使用的搜索语料文档是英文 Wikipedia 的部分文档，可以通过网站 dumps.wikimedia.org 下载。目前解压后的文档大小是 913MB，里面包含了超过 60 万的 XML 文件。示例如下：

https://en.wikipedia.org/wiki/Kit-Cat_Klock
The Kit-Cat Klock is an art deco novelty wall clock shaped like a grinning cat with cartoon eyes that swivel in time with its pendulum tail.

加载文档

首先我们需要将所有的文档进行加载，而 Go 内建的 encoding/xml 包就非常的好用，以下是代码实现：

import (
    "encoding/xml"
    "os"
)

type document struct {
    Title string `xml:"title"`
    URL   string `xml:"url"`
    Text  string `xml:"abstract"`
    ID    int
}

func loadDocuments(path string) ([]document, error) {
    f, err := os.Open(path)
    if err != nil {
        return nil, err
    }
    defer f.Close()

    dec := xml.NewDecoder(f)
    dump := struct {
        Documents []document `xml:"doc"`
    }{}
    if err := dec.Decode(&dump); err != nil {
        return nil, err
    }

    docs := dump.Documents
    for i := range docs {
        docs[i].ID = i
    }
    return docs, nil
}

每一个加载后的文档都会分配一个唯一的 ID 标识。为了保持简单，第一个被加载的文档分配的 ID=0，第二个 ID=1，以此类推。

第一次尝试

搜索内容

现在我们已经将所有的文档加载到内存，那就可以开始尝试用最简单的方法去搜索包含 cat 的文档了。我们通过一个循环判断每一篇文档是否包含 cat：

func search(docs []document, term string) []document {
    var r []document
    for _, doc := range docs {
        if strings.Contains(doc.Text, term) {
            r = append(r, doc)
        }
    }
    return r
}

在我的笔记本电脑上，搜索耗时是 103ms，不算太差。如果你稍微仔细看一下搜索出来的结果的话，你会发现结构里面包含了一些 caterpillar 、 category 等匹配，而且并没有搜索到包含大写 Cat 的文档。以上并不是我想要的搜索行为。

接下来我们将修复以上的两个问题：

• 使得搜索引擎能够感知字母大小写

• 匹配完整的单词，而不是某个单词的一部分

使用正则表达式搜索

一种快速解决上述问题的解决方案是使用正则表达式。

比如搜索 cat 的正则表达式是 (?i)\bcat\b

• (?i) 意思是使得搜索对大小写不敏感

• \b 匹配单次的边界（边界意思是单词的前后是非字母）

func search(docs []document, term string) []document {
    re := regexp.MustCompile(`(?i)\b` + term + `\b`) // Don't do this in production, it's a security risk. term needs to be sanitized.
    var r []document
    for _, doc := range docs {
        if re.MatchString(doc.Text) {
            r = append(r, doc)
        }
    }
    return r
}

糟糕的是，以上搜索耗时超过了 2 秒。正如你所看到的，在超过 60 万文档的情况下，搜索变得越来越慢，而简单的实现方案并不能拥有好的扩展性。随着数据集的不断扩大，我们将搜索越来越多的文档，而上述我们实现的算法的时间复杂度是 O(n) 的，意味着时间是和文档数成正比的。如果我们有 600 万文档要搜索的话，耗时会超过 20 秒，肯定是无法忍受的。

倒排索引

为了使搜索变得更快，我们需要提前做一些预处理并建立相应的索引加速搜索。

而这正是全文搜索（FTS）的核心数据机构，我们称之为倒排索引（Inverted Index，也有叫反向索引的）。默认我们知道一篇文档包含了哪些词，而倒排索引将建立词和文档的对应关系。示例如下：

documents = {
    1: "a donut on a glass plate",
    2: "only the donut",
    3: "listen to the drum machine",
}

index = {
    "a": [1],
    "donut": [1, 2],
    "on": [1],
    "glass": [1],
    "plate": [1],
    "only": [2],
    "the": [2, 3],
    "listen": [3],
    "to": [3],
    "drum": [3],
    "machine": [3],
}

以下是一个真实世界的倒排索引，一本书的附录包含了词出现的所有页码。

文本分析

在我们开始建立索引之前，我们需要将文档中的词进行切分，方便后续的索引和查询。

一个文本分析器包含了一个分词器和多个过滤器。

分词器

分词器是文本分析的第一步，它的任务是将文档切分为一系列的词。我们的实现是简单的将文本通过单词边界进行切分，同时移除相应的标点。

func tokenize(text string) []string {
    return strings.FieldsFunc(text, func(r rune) bool {
        // Split on any character that is not a letter or a number.
        return !unicode.IsLetter(r) && !unicode.IsNumber(r)
    })
}
> tokenize("A donut on a glass plate. Only the donuts.")

["A", "donut", "on", "a", "glass", "plate", "Only", "the", "donuts"]

过滤器

在很多场景下，只是将文本进行切分并不够。为了使得后续的索引和查询更容易，我们需要做额外的标准化。

将单词统一小写

为了使得搜索对字母大小写不敏感，我们将所有词统一转化为小写。比如 cAt、Cat、caT 将统一转化为小写的 cat。当我们搜索的时候，我们也会把搜索词转化为小写的。

func lowercaseFilter(tokens []string) []string {
    r := make([]string, len(tokens))
    for i, token := range tokens {
        r[i] = strings.ToLower(token)
    }
    return r
}
> lowercaseFilter([]string{"A", "donut", "on", "a", "glass", "plate", "Only", "the", "donuts"})

["a", "donut", "on", "a", "glass", "plate", "only", "the", "donuts"]

去除通用词

任何英文文档中都包含了一些通用的词，比如 a、I、the、be。而这些词另外一个称呼是停用词。我们会将这些词删除不进行索引，因为任何的文档中都包含这些词，搜索这些词并没有任何意义。

但是并没有一个官方的停用词列表，我们将移除 OEC Rank 中排序前十的停用词，当然你也可以增加更多。

var stopwords = map[string]struct{}{ // I wish Go had built-in sets.
    "a": {}, "and": {}, "be": {}, "have": {}, "i": {},
    "in": {}, "of": {}, "that": {}, "the": {}, "to": {},
}

func stopwordFilter(tokens []string) []string {
    r := make([]string, 0, len(tokens))
    for _, token := range tokens {
        if _, ok := stopwords[token]; !ok {
            r = append(r, token)
        }
    }
    return r
}
> stopwordFilter([]string{"a", "donut", "on", "a", "glass", "plate", "only", "the", "donuts"})

["donut", "on", "glass", "plate", "only", "donuts"]

词干提取

因为英语中语法的不同，文档中可能包含同一个词的不同表现形式，而词干提取就是为了将这些词转化为词干。比如fishing、fished 、 fisher 都会转化为基础词干 fish。

实现一个词干提取器并没有那么容易，而这并不是本文的重点，所以我们使用了一个现成的开源模块。

import snowballeng "github.com/kljensen/snowball/english"

func stemmerFilter(tokens []string) []string {
    r := make([]string, len(tokens))
    for i, token := range tokens {
        r[i] = snowballeng.Stem(token, false)
    }
    return r
}
> stemmerFilter([]string{"donut", "on", "glass", "plate", "only", "donuts"})

["donut", "on", "glass", "plate", "only", "donut"]

提示：词干有时候并不是一个有效的词，比如 airline 会转化成 airlin。

将所有的文本分析器进行集成

func analyze(text string) []string {
    tokens := tokenize(text)
    tokens = lowercaseFilter(tokens)
    tokens = stopwordFilter(tokens)
    tokens = stemmerFilter(tokens)
    return tokens
}

分词器和过滤器将文档转化为词的列表。

> analyze("A donut on a glass plate. Only the donuts.")

["donut", "on", "glass", "plate", "only", "donut"]

现在以上词就可以开始索引了。

构建索引

回到倒排索引，它将词与其出现的文档列表进行关联。而 Go 内建的 map 就是一个很好的候选数据结构，键值 key 存储词，值 value 储存文档 ID 列表。

type index map[string][]int

构建索引的步骤就是逐步的分析文档，并将文档 ID 增加到 map 映射中。

func (idx index) add(docs []document) {
    for _, doc := range docs {
        for _, token := range analyze(doc.Text) {
            ids := idx[token]
            if ids != nil && ids[len(ids)-1] == doc.ID {
                // Don't add same ID twice.
                continue
            }
            idx[token] = append(ids, doc.ID)
        }
    }
}

func main() {
    idx := make(index)
    idx.add([]document{{ID: 1, Text: "A donut on a glass plate. Only the donuts."}})
    idx.add([]document{{ID: 2, Text: "donut is a donut"}})
    fmt.Println(idx)
}

我们成功了，以上代码将词和文档列表进行了关联。

map[donut:[1 2] glass:[1] is:[2] on:[1] only:[1] plate:[1]]

查询

要利用上述构建的倒排索引，我们需要对查询词也进行一致的文本分析（分词器和过滤器）。

func (idx index) search(text string) [][]int {
    var r [][]int
    for _, token := range analyze(text) {
        if ids, ok := idx[token]; ok {
            r = append(r, ids)
        }
    }
    return r
}
> idx.search("Small wild cat")

[[24, 173, 303, ...], [98, 173, 765, ...], [[24, 51, 173, ...]]

最后，我们可以从 60 万文档中搜索所有出现 cat 的文档，而耗时少于 1 毫秒（18 微妙）。

当我们利用倒排索引，搜索算法的时间复杂度是和搜索词的数量相当，这意味着算法时间复杂度是 O(1)，并不会随着文档数量的增加而增加。

布尔查询

在前一部分我们的介绍中搜索的返回是每一个词的文档列表，并没有做相关的聚合。而我们期望的是能够搜索到同时包含 small、 wild 和 cat 的文档。下一步我们将会对以上文档列表进行聚合归并，这样就能得到包含所有词的文档列表。

幸运的是，我们的倒排索引的文档列表是升序的。这样我们去计算两个列表的相同元素的算法时间复杂度是线性的。

func intersection(a []int, b []int) []int {
    maxLen := len(a)
    if len(b) > maxLen {
        maxLen = len(b)
    }
    r := make([]int, 0, maxLen)
    var i, j int
    for i < len(a) && j < len(b) {
        if a[i] < b[j] {
            i++
        } else if a[i] > b[j] {
            j++
        } else {
            r = append(r, a[i])
            i++
            j++
        }
    }
    return r
}

我们再将搜索结果聚合代码与之前的进行整合。

func (idx index) search(text string) []int {
    var r []int
    for _, token := range analyze(text) {
        if ids, ok := idx[token]; ok {
            if r == nil {
                r = ids
            } else {
                r = intersection(r, ids)
            }
        } else {
            // Token doesn't exist.
            return nil
        }
    }
    return r
}

Wikipedia 的文档中最后只有两篇文档同时包含了 small、wild 和 cat。

> idx.search("Small wild cat")

130764  The wildcat is a species complex comprising two small wild cat species, the European wildcat (Felis silvestris) and the African wildcat (F. lybica).
131692  Catopuma is a genus containing two Asian small wild cat species, the Asian golden cat (C. temminckii) and the bay cat.

搜索结果是我们所期望的。同时，通过搜索结果我们也是第一次听说 catopuma（金猫）， 以下图片就是。

总结

我们仅仅是实现了一个简单的全文搜索引擎，尽管它很简单，但是你依然可以基于此建立更多复杂的项目。

同时我们也没有过多的去介绍如何提高性能，以及使搜索引擎对用户使用更加的友好。以下是一些后续优化的方向仅供参考：

• 扩展布尔查询支持 OR 和 NOT

• 将倒排索引存储在磁盘

• 每次都重建索引会耗费一些时间

• 大的索引可能不能在内存全部存储

• 尝试去使用内存和 CPU 高效的索引数据存储方式，可以了解一下 Roaring Bitmaps

• 根据相关性对搜索结果进行排序

以上所有代码都可以从 GitHub 上获取到：

项目地址：https://github.com/akrylysov/simplefts

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