Elasticsearch-4--倒排索引的原理？

1、什么是倒排索引？

1、与"正排索引"对比

（1）、正排索引 (Forward Index)

定义：以文档为单位组织数据。记录每个文档中包含了哪些词语。

映射方向：文档(Document) → 词语列表(Term List) 。（如数据库的行式存储）。

示例：Doc1 → ["lucene", "search", "engine"]
特点：

• 结构直观，类似于文档的原始内容表示。
• 在搜索引擎中，通常作为构建倒排索引的中间步骤。
• 查询效率低：当需要查找包含某个特定词（如 "search"）的所有文档时，必须遍历所有文档的词语列表，时间复杂度高。

（2）、倒排索引 (Inverted Index)

定义：以词语为单位组织数据。记录每个词语出现在哪些文档中。

映射方向：词语(Term) → 包含该词的文档列表(Posting List) 。（如搜索引擎的列式存储）。

示例："search" → [Doc1, Doc3, Doc5]
特点：

• 是现代搜索引擎（如 Elasticsearch, Lucene）的核心数据结构。
• 查询效率极高：对于关键词搜索，可以直接通过词语定位到所有相关文档列表，无需扫描全部文档。
• 通常还会在文档列表中存储额外信息，如词频（TF）、位置（Position）、偏移量（Offset）等，用于相关性评分和高亮显示。

（3）、对比

总结：
正排索引是基础，倒排索引才是实现高效全文检索的基石。

2、倒排索引的核心组成

一个完整的倒排索引由两部分构成。

1、词典（Term Dictionary）

存储所有唯一的词项（Term），并按字典序排列。

• 存储所有唯一的词项（Terms）
• 通常用有序数组、Trie、FST（Finite State Transducer）实现
• 支持快速查找："lucene"是否存在？位置在哪？

2、倒排表（Posting List）

每个词项对应的文档列表，记录包含该词项的文档ID、词频（Term Frequency）、位置（Position）等信息。

每个词项对应一个倒排表，记录：

• 文档ID（DocID）
• 词频（TF, Term Frequency）
• 位置（Position） → 用于短语查询"big data"
• 偏移（Offset） → 用于高亮显示
• Payload → 自定义数据（如权重、标签）

3、构建倒排索引步骤示例

假设有3个文档。

（1）、分词与处理（Analyzer）

Doc1: [lucene, search, engine]

Doc2: [elasticsearch, uses, lucene]

Doc3: [search, engine, lucene]

一般分词器会去掉停用词如："is", "a", "with"

（2）、构建词典和倒排表

说明：

• Term: 词项（词语）。
• DocFreq: 文档频率（Document Frequency），表示包含该词项的文档数量。
• Posting List: 倒排列表，包含每个包含该词项的文档信息。
  • 格式 [DocID:TF:Positions] 中：
    • DocID: 文档ID。
    • TF (Term Frequency): 该词项在对应文档中的出现次数（词频）。
    • Positions: 该词项在对应文档中的位置（通常指在分词后的词语序列中的索引，从0开始）。
  • 示例：[1:1:[0]]表示文档1，出现1次，位置0

3、倒排索引的构建流程

1、文档解析与分析

（1）、分词（Tokenization）

• 分词（Tokenization）：
  • 使用分词器（Tokenizer）将文本拆分为词项。例如：
    • 英文："The quick brown fox" → ["the", "quick", "brown", "fox"]。
    • 中文：依赖分词器（如IK Analyzer、Jieba）将连续文本切分为有意义的词汇。

（2）、过滤

• 过滤（Filtering）：
  • 去除停用词（如"the", "is"）。
  • 词干提取（Stemming）：将变形词还原为词根（如"running" → "run"）。
  • 同义词扩展：将"car"和"automobile"视为同一Term。

2、内存缓冲（In-Memory Buffer）

文档分词后，Term和文档ID临时存储在内存中。同时记录Term的频率和位置信息。Lucene使用FST（Finite State Transducer）在内存中临时存储。

• Term → TermID映射
• Document → Term列表

有限状态转换器FST（Finite State Transducer）是一种紧凑的有限状态机，支持高效前缀匹配和模糊查询。

• Lucene使用FST存储Term字典，支持前缀压缩和快速查找。
• 例如，Term "apple"和"app"共享前缀"app"，节省内存。

3、生成 Segment（段）

当内存缓冲区满或达到刷新间隔（如Elasticsearch的1秒 ），将数据写入磁盘生成Segment。

Segment内部文件结构：

说明：

• 所有文件都是只读的。
• Segment是Lucene的最小可搜索单元。

4、合并 Segment（Merge）

• 多个小Segment会影响查询性能（需查多个文件）。
• Lucene定期执行Merge，将多个小Segment合并为大Segment。
• 合并过程中会：
  • 清除已删除文档
  • 压缩Posting List
  • 重建词典

注意：Merge是I/O密集型操作，但对性能至关重要。

5、分布式实现（如Elasticsearch）

• 文档路由到分片：
  • 根据文档ID的哈希值%分片数确定目标分片。
  • 主分片（Primary Shard）负责写入，副本分片（Replica Shard）同步数据。
• 事务日志（Translog）：
  • 写入内存缓冲区时记录日志，防止数据丢失。
  • 定期（如每5分钟）持久化到磁盘并清空缓冲区（Flush操作）。

4、倒排索引的查询流程

以查询"lucene AND search"为例。

1、解析查询语句

java示例：

Query query = new BooleanQuery.Builder()
    .add(new TermQuery(new Term("content", "lucene")), BooleanClause.Occur.MUST)
    .add(new TermQuery(new Term("content", "search")), BooleanClause.Occur.MUST)
    .build();

2、查找词项

• 在.tim/.tip文件（单词表文件）中查找"lucene"和"search"。
• 获取它们的TermID和倒排表指针。

注意：为了加快读取速度，lucene进行的优化。

• 查询缓存（Query Cache）：
  • 缓存频繁查询的Posting List结果（如过滤条件）。
• 热词预热：
  • 提前加载高频Term的Posting List到内存。

3、读取倒排表

• 并行读取两个倒排表。
  • lucene → [1,2,3]
  • search → [1,3]

4、求交集（Intersection）

• 使用双指针算法或Skip List快速求交。

  [1,2,3]
   ↑
  [1,3]
   ↑
  → 公共DocID: [1,3]

5、计算相关性得分（Scoring）

使用BM25算法计算每个文档的相关性。

示例：

score(D, Q) = Σ BM25(t in Q)

其中：

• t是查询词项
• BM25考虑：词频（TF）、逆文档频率（IDF）、字段长度归一化

注意：Lucene默认使用BM25（比TF-IDF更先进）

6、排序并返回Top-K

• 按得分排序
• 返回前N个文档（支持分页）

5、倒排表的压缩技术（关键优化）

Posting List可能非常大，Lucene使用多种压缩技术。

1、Delta Encoding（差值编码）

• DocID通常是递增的，存储差值而非原始值
• 例如：[100, 102, 105] → [100, 2, 3]

2、Variable-Byte Encoding（VBCode）

• 小整数用1字节存储，大整数用多字节
• 节省空间，适合Posting List

3、PForDelta/Simple16

• 高效压缩整数数组
• 支持快速随机访问

4、Roaring Bitmap

• 对于高频词（如"the"），使用位图代替列表
• 极致压缩 + 快速集合运算（AND/OR）

6、Lucene中的高级结构：FST（Finite State Transducer）

1、什么是FST？

FST（有限状态转换器）是一种有向图 数据结构，它扩展了FSA (Finite State Automaton, 有限状态自动机)。FST不仅可以判断一个字符串是否存在于集合中，还能将输入的字符串映射到一个输出值 （例如，一个整数、另一个字符串或一个复杂对象）。

在Lucene的语境下，FST主要用于词典（Term Dictionary）的实现。

它的核心功能是：

输入：一个词项（Term），例如 "search"。

输出：该词项对应的元数据信息，例如在.tim文件中的偏移量指针、文档频率（DocFreq）等，这些信息用于快速定位和读取倒排列表。

2、FST是怎么实现的？（核心机制）

Lucene的FST实现（主要在org.apache.lucene.util.fst包中）基于以下几个关键设计。

（1）、状态（State）与弧（Arc）：

状态(State)：图中的节点。每个状态代表处理输入字符串过程中的一个中间点。

弧(Arc)：连接状态的有向边。每条弧上标记着：

• 输入标签(Input Label)：通常是一个字符（或字节）。
• 输出值(Output)：一个可以累积的数值（在Lucene中通常是long类型）。这个输出值是FST强大功能的核心。
  从起始状态开始，沿着弧根据输入字符进行转移，最终到达一个终态。

（2）、路径输出的累积：

当从起始状态遍历到终态时，路径上所有弧的输出值会进行累积（通常是求和）。

这个累积的总输出值就是该输入字符串（词项）所映射的最终结果。

示例：查找"sea"。

• s -> 弧输出100 -> 状态A
• e -> 弧输出20 -> 状态B
• a -> 弧输出5 -> 终态
• 最终输出 = 100 + 20 + 5 = 125。这个125可能就是词项"sea"在索引文件中的偏移量。

（3）、高度压缩与共享：

• 前缀共享(Prefix Sharing)：这是FST空间效率高的根本原因。所有具有相同前缀的词项（如 "search", "seek", "sea"）会共享从起始状态到分叉点之前的路径。

• 后缀共享 (Suffix Sharing)：更进一步，FST构建算法（通常是基于排序的）会尝试让具有相同后缀的路径也进行共享。例如"cat", "bat", "hat"的后缀"at"可以共享。

• 最小化 (Minimization)：构建过程会生成一个最小化的FST，即在保证功能相同的前提下，拥有最少的状态和弧。这极大地减少了存储空间。

（4）、与磁盘文件的结合：

FST本身存储的是词项到元数据指针的映射。

这个元数据指针（即FST查询的输出值）通常指向.tim文件中的某个位置，那里存储着更详细的词典信息（如词频、指向 .doc/.pos文件的指针等）。

.tip (Term Index)文件可以看作是一个"超级FST的索引"，它存储了.tim文件中大块FST数据块的入口指针，用于加速对.tim文件的随机访问。

3、FST优势

Lucene选择FST作为词典实现，是为了解决大规模索引中词典存储和查询的效率问题，其优势如下。

（1）、空间效率极高(High Space Efficiency)

核心优势。通过前缀和后缀的深度共享，FST能够以极小的空间存储海量的词项。这对于搜索引擎动辄数百万、上亿词项的场景至关重要。相比于简单的哈希表或Trie，FST的空间占用要小得多。

（2）、支持高效的前缀查询(Prefix Query)

由于前缀共享，查找所有以"searc"开头的词项非常高效。算法可以快速定位到代表"searc"的状态，然后遍历从该状态出发的所有路径，即可得到所有匹配的词项及其输出值。

（3）、支持模糊查询(Fuzzy Query)

FST可以相对高效地支持基于编辑距离（Levenshtein Distance）的模糊查询。算法可以在状态图上进行"容错"遍历，允许一定次数的插入、删除、替换操作，找到与查询词项编辑距离在阈值内的所有词项。

（4）、查询性能优秀(Good Query Performance)

查找一个词项的时间复杂度接近O(词项长度)。虽然比哈希表的O(1)稍慢，但考虑到其巨大的空间优势，这个查询速度对于搜索引擎来说是完全可以接受的，并且远快于线性扫描。

（5）、支持复杂映射(Supports Complex Mapping)：

FST的"转换"特性允许它将字符串映射到任意（可累积的）数值。Lucene利用这一点，将词项映射到其在磁盘文件中的物理位置（偏移量），实现了词典逻辑与物理存储的解耦。

（6）、支持正则匹配 (Regular Expression Matching)：

FST本质上是正则语言的接受器，因此可以支持正则表达式查询。

总结来说，**Lucene采用FST是一个在空间和时间复杂度之间取得卓越平衡的设计。它牺牲了哈希表极致的查询速度（O(1)），换来了数量级上的空间压缩，并同时获得了对前缀、模糊、正则等复杂查询的天然支持。**这种设计使得Lucene能够在有限的硬件资源下，构建和维护极其庞大的倒排索引，是其高性能的关键基石之一。

7、实现示例

1、Lucene的倒排索引实现

• Segment结构：
  • 每个Segment包含：
    • Term Dictionary：FST存储。
    • Posting List：按文档ID排序并压缩。
    • 字段存储（Stored Fields）：原始文档字段值。
• 实时搜索优化：
  • 默认1秒刷新（Refresh）生成新Segment，实现近实时（NRT）搜索。

2、Elasticsearch的分布式索引

写入流程：

1、客户端发送请求到协调节点（Coordinating Node）。

2、协调节点路由文档到主分片（Primary Shard）。

3、主分片写入内存缓冲区和Translog，同步到副本分片（Replica Shard）。

4、定期刷新生成Segment，合并优化。

8、倒排索引vs正排索引vs列存（Doc Values）

注意：

• 倒排索引适合"找包含某词的文档"
• Doc Values适合"按price排序"或"按category聚合"

9、Lucene中如何查看倒排索引？

可以使用Lucene自带的IndexReader查看索引内容。

java示例：

Directory directory = FSDirectory.open(Paths.get("/path/to/index"));
IndexReader reader = DirectoryReader.open(directory);

// 获取某个字段的Terms
Terms terms = reader.terms("content");
TermsEnum termsEnum = terms.iterator();

while (termsEnum.next() != null) {
    BytesRef term = termsEnum.term();
    System.out.println("Term: " + term.utf8ToString());
    
    // 获取倒排表
    PostingsEnum postings = termsEnum.postings(null);
    while (postings.nextDoc() != PostingsEnum.NO_MORE_DOCS) {
        int docId = postings.docID();
        int freq = postings.freq(); // 词频
        System.out.println("DocID: " + docId + ", Freq: " + freq);
    }
}

10、总结：倒排索引的核心要点

倒排索引通过词项到文档的映射 ，解决了大规模文本数据的快速检索问题。其构建流程包括分词、排序、Segment生成和合并优化，结合压缩、缓存、分布式等技术进一步提升性能。无论是Lucene的单机实现，还是Elasticsearch的分布式架构，倒排索引都是高效搜索的核心基础。实际应用中需结合分词、压缩和分布式策略，平衡存储成本与查询效率。

重点：

为什么倒排索引如此高效？

• 空间换时间：预构建索引，牺牲存储换取查询速度。
• 只读设计：Segment不可变，便于缓存和并发读。
• 分治思想：大索引拆分为多个Segment，支持并行处理。
• 压缩优化：减少磁盘I/O，提升缓存命中率。

向阳前行，Dare To Be！！！