ElasticSearch分词器和相关性详解

目录

ES分词器详解

基本概念

分词发生时期

分词器的组成

切词器：Tokenizer

[词项过滤器：Token Filter](#词项过滤器：Token Filter)

停用词

同义词

[字符过滤器：Character Filter](#字符过滤器：Character Filter)

[HTML 标签过滤器：HTML Strip Character Filter](#HTML 标签过滤器：HTML Strip Character Filter)

[字符映射过滤器：Mapping Character Filter](#字符映射过滤器：Mapping Character Filter)

[正则替换过滤器：Pattern Replace Character Filter](#正则替换过滤器：Pattern Replace Character Filter)

相关性详解

什么是相关性（Relevance）

相关性算法

TF-IDF

BM25

[通过Explain API查看TF-IDF](#通过Explain API查看TF-IDF)

[Boosting Query](#Boosting Query)

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ES分词器详解

基本概念

分词器官方称之为文本分析器，顾名思义，是对文本进行分析处理的一种手段，基本处理逻辑为按照预先制定的分词规则，把原始文档分割成若干更小粒度的词项，粒度大小取决于分词器规则。

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分词发生时期

分词器的处理过程发生在 Index Time 和 Search Time 两个时期。

**Index Time：**文档写入并创建倒排索引时期，其分词逻辑取决于映射参数analyzer。

**Search Time：**搜索发生时期，其分词仅对搜索词产生作用。

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分词器的组成

切词器（Tokenizer）：用于定义切词（分词）逻辑。

词项过滤器（Token Filter）：用于对分词之后的单个词项的处理逻辑。

字符过滤器（Character Filter）：用于处理单个字符。

注意：分词器不会对源数据造成任何影响，分词仅仅是对倒排索引或者搜索词的行为。

切词器：Tokenizer

tokenizer 是分词器的核心组成部分之一，其主要作用是分词，或称之为切词。主要用来对原始文本进行细粒度拆分。拆分之后的每一个部分称之为一个 Term，或称之为一个词项。可以把切词器理解为预定义的切词规则。官方内置了很多种切词器，默认的切词器位 standard。

词项过滤器：Token Filter

词项过滤器用来处理切词完成之后的词项，例如把大小写转换，删除停用词或同义词处理等。官方同样预置了很多词项过滤器，基本可以满足日常开发的需要。当然也是支持第三方也自行开发的。

GET _analyze
 {
 "filter" : ["lowercase"],
 "text" : "WWW ELASTIC ORG CN"
 }

 GET _analyze
 {
 "tokenizer" : "standard",
 "filter" : ["uppercase"],
 "text" : ["www.elastic.org.cn","www elastic org cn"]
 }

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停用词

在切词完成之后，会被干掉词项，即停用词。停用词可以自定义
英文停用词（english）：a, an, and, are, as, at, be, but, by, for, if, in, into, is, it, no, not, of, on,
or, such, that, the, their, then, there, these, they, this, to, was, will, with。
中日韩停用词（cjk）：a, and, are, as, at, be, but, by, for, if, in, into, is, it, no, not, of, on, or, s,
such, t, that, the, their, then, there, these, they, this, to, was, will, with, www。

DELETE test_token_filter_stop
PUT test_token_filter_stop
{
  "settings": {
    "analysis": {
      "filter": {
        "my_filter": {
          "type": "stop",
          "stopwords": [
            "www"
          ],
          "ignore_case": true
        }
      }
    }
  }
}
GET test_token_filter_stop/_analyze
{
  "tokenizer": "standard",
  "filter": [
    "my_filter"
  ],
  "text": [
    "What www WWW are you doing"
  ]
}

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同义词

同义词定义规则

a, b, c => d：这种方式，a、b、c 会被 d 代替。

a, b, c, d：这种方式下，a、b、c、d 是等价的。

PUT test_token_filter_synonym
{
  "settings": {
    "analysis": {
      "filter": {
        "my_synonym": {
          "type": "synonym",
          "synonyms": [ "good, nice => excellent" ] //good, nice, excellent
        }
      }
    }
  }
}
GET test_token_filter_synonym/_analyze
{
  "tokenizer": "standard", 
  "filter": ["my_synonym"], 
  "text": ["good"]
}

字符过滤器：Character Filter

分词之前的预处理，过滤无用字符。

PUT <index_name>
{
  "settings": {
    "analysis": {
      "char_filter": {
        "my_char_filter": {
          "type": "<char_filter_type>"
        }
      }
    }
  }
}

type：使用的字符过滤器类型名称，可配置以下值：

html_strip、mapping、pattern_replace

HTML 标签过滤器：HTML Strip Character Filter

字符过滤器会去除 HTML 标签和转义 HTML 元素，如、&

PUT test_html_strip_filter
{
  "settings": {
    "analysis": {
      "char_filter": {
        "my_char_filter": {
          "type": "html_strip",  // html_strip 代表使用 HTML 标签过滤器
          "escaped_tags": [     // 当前仅保留 a 标签        
            "a"
          ]
        }
      }
    }
  }
}
GET test_html_strip_filter/_analyze
{
  "tokenizer": "standard", 
  "char_filter": ["my_char_filter"],
  "text": ["<p>I'm so <a>happy</a>!</p>"]
}

参数：escaped_tags：需要保留的 html 标签。

字符映射过滤器：Mapping Character Filter

通过定义映替换为规则，把特定字符替换为指定字符

PUT test_html_strip_filter
{
  "settings": {
    "analysis": {
      "char_filter": {
        "my_char_filter": {
          "type": "mapping",    // mapping 代表使用字符映射过滤器
          "mappings": [                // 数组中规定的字符会被等价替换为 => 指定的字符
            "滚 => *",
            "垃 => *",
            "圾 => *"
          ]
        }
      }
    }
  }
}
GET test_html_strip_filter/_analyze
{
  //"tokenizer": "standard", 
  "char_filter": ["my_char_filter"],
  "text": "你就是个垃圾！滚"
}

正则替换过滤器：Pattern Replace Character Filter

PUT text_pattern_replace_filter
{
  "settings": {
    "analysis": {
      "char_filter": {
        "my_char_filter": {
          "type": "pattern_replace",    // pattern_replace 代表使用正则替换过滤器            
          "pattern": """(\d{3})\d{4}(\d{4})""",    // 正则表达式
          "replacement": "$1****$2"
        }
      }
    }
  }
}
GET text_pattern_replace_filter/_analyze
{
  "char_filter": ["my_char_filter"],
  "text": "您的手机号是18868686688"
}

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相关性详解

搜索是用户和搜索引擎的对话，用户关心的是搜索结果的相关性

1. 是否可以找到所有相关的内容

2. 有多少不相关的内容被返回了

3. 文档的打分是否合理

4. 结合业务需求，平衡结果排名

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什么是相关性（Relevance）

搜索的相关性算分，描述了一个文档和查询语句匹配的程度。ES 会对每个匹配查询条件的结果进行算分_score。打分的本质是排序，需要把最符合用户需求的文档排在前面。

如何衡量相关性：

1. Precision(查准率)―尽可能返回较少的无关文档。

2. Recall(查全率)--尽量返回较多的相关文档。

3. Ranking -是否能够按照相关度进行排序。

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相关性算法

ES5之前，默认的相关性算分采用TF-IDF，现在采用BM25。

TF-IDF

TF-IDF（term frequency--inverse document frequency）是一种用于信息检索与数据挖掘的常用加权技术。

Lucene中的TF-IDF评分公式：

TF是词频(Term Frequency)

检索词在文档中出现的频率越高，相关性也越高。

词频（TF） = 某个词在文档中出现的次数 / 文档的总词数

IDF是逆向文本频率(Inverse Document Frequency)

每个检索词在索引中出现的频率，频率越高，相关性越低。总文档中有些词比如"是"、"的" 、"在" 在所有文档中出现频率都很高，并不重要，可以减少多个文档中都频繁出现的词的权重。

逆向文本频率（IDF）= log (语料库的文档总数 / (包含该词的文档数+1))

字段长度归一值（ field-length norm）

检索词出现在一个内容短的 title 要比同样的词出现在一个内容长的 content 字段权重更大。

以上三个因素------词频（term frequency）、逆向文本频率（inverse document frequency）和字段长度归一值（field-length norm）------是在索引时计算并存储的，最后将它们结合在一起计算单个词在特定文档中的权重。

BM25

BM25 就是对 TF-IDF 算法的改进，对于 TF-IDF 算法，TF(t) 部分的值越大，整个公式返回的值就会越大。BM25 就针对这点进行来优化，随着TF(t) 的逐步加大，该算法的返回值会趋于一个数值。

从ES5开始，默认算法改为BM25，和经典的TF-IDF相比,当TF无限增加时，BM25算分会趋于一个数值。

BM25公式

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通过Explain API查看TF-IDF

PUT /test_score/_bulk
{"index":{"_id":1}}
{"content":"we use Elasticsearch to power the search"}
{"index":{"_id":2}}
{"content":"we like elasticsearch"}
{"index":{"_id":3}}
{"content":"Thre scoring of documents is caculated by the scoring formula"}
{"index":{"_id":4}}
{"content":"you know,for search"}

GET /test_score/_search
{
  "explain": true, 
  "query": {
    "match": {
      "content": "elasticsearch"
    }
  }
}

GET /test_score/_explain/2
{
  "query": {
    "match": {
      "content": "elasticsearch"
    }
  }
}

Boosting Query

Boosting是控制相关度的一种手段。可以通过指定字段的boost值影响查询结果

参数boost的含义：

1. 当boost > 1时，打分的权重相对性提升

2. 当0 < boost

3. 当boost

应用场景：希望包含了某项内容的结果不是不出现，而是排序靠后。

POST /blogs/_bulk
{"index":{"_id":1}}
{"title":"Apple iPad","content":"Apple iPad,Apple iPad"}
{"index":{"_id":2}}
{"title":"Apple iPad,Apple iPad","content":"Apple iPad"}

GET /blogs/_search
{
  "query": {
    "bool": {
      "should": [
        {
          "match": {
            "title": {
              "query": "apple,ipad",
              "boost": 1
            }
          }
        },
        {
          "match": {
            "content": {
              "query": "apple,ipad",
              "boost": 4
            }
          }
        }
      ]
    }
  }
}

案例：要求苹果公司的产品信息优先展示

POST /news/_bulk
{"index":{"_id":1}}
{"content":"Apple Mac"}
{"index":{"_id":2}}
{"content":"Apple iPad"}
{"index":{"_id":3}}
{"content":"Apple employee like Apple Pie and Apple Juice"}

GET /news/_search
{
  "query": {
    "bool": {
      "must": {
        "match": {
          "content": "apple"
        }
      }
    }
  }
}

利用must not排除不是苹果公司产品的文档

GET /news/_search
{
  "query": {
    "bool": {
      "must": {
        "match": {
          "content": "apple"
        }
      },
      "must_not": {
        "match":{
          "content": "pie"
        }
      }
    }
  }
}

利用negative_boost降低相关性

对某些返回结果不满意，但又不想排除掉（ must_not)，可以考虑boosting query的negative_boost。

1. negative_boost 对 negative部分query生效。

2. 计算评分时,boosting部分评分不修改，negative部分query乘以negative_boost值。

3. negative_boost取值:0-1.0，举例:0.3。

GET /news/_search
{
  "query": {
    "boosting": {
      "positive": {
        "match": {
          "content": "apple"
        }
      },
      "negative": {
        "match": {
          "content": "pie"
        }
      },
      "negative_boost": 0.2
    }
  }
}