探秘新一代向量存储格式Lance-format (九) 索引系统架构与向量搜索

9章:索引系统架构与向量搜索

概述

索引是 Lance 提供快速查询的核心。本章讨论索引系统设计、向量索引实现、向量搜索优化。

索引系统设计

Index Trait 接口

rust 复制代码
pub trait Index: Send + Sync {
    // 打开索引
    async fn open(
        &mut self,
        index_metadata: &IndexMetadata,
    ) -> Result<()>;
    
    // 索引搜索
    async fn search(
        &self,
        query: &SearchQuery,
    ) -> Result<Vec<SearchResult>>;
    
    // 索引统计
    fn statistics(&self) -> IndexStatistics;
}

pub struct SearchQuery {
    pub column: String,
    pub vector: Vec<f32>,
    pub k: usize,
    pub metric: DistanceMetric,
    pub nprobes: Option<usize>,
    pub filters: Option<String>,
}

pub struct SearchResult {
    pub row_id: u64,
    pub score: f32,
    pub data: Option<RecordBatch>,
}

索引注册表

rust 复制代码
pub struct IndexRegistry {
    indexes: DashMap<String, Box<dyn Index>>,
}

impl IndexRegistry {
    pub fn register_index(
        &self,
        name: String,
        index: Box<dyn Index>,
    ) {
        self.indexes.insert(name, index);
    }
    
    pub fn get_index(
        &self,
        name: &str,
    ) -> Option<Arc<dyn Index>> {
        self.indexes.get(name).map(|entry| Arc::from(entry.value()))
    }
}

索引生命周期

索引元数据定义

rust 复制代码
pub struct IndexMetadata {
    pub index_id: String,
    pub index_type: IndexType,
    pub column: String,
    pub created_at: i64,
    pub updated_at: i64,
    pub index_size: u64,
    pub index_files: Vec<String>,
    pub parameters: HashMap<String, String>,
    pub statistics: IndexStatistics,
}

pub enum IndexType {
    Scalar(ScalarIndexType),
    Vector(VectorIndexType),
}

pub enum ScalarIndexType {
    BTree,
    Bitmap,
    Inverted,
}

pub enum VectorIndexType {
    IVF { partitions: u32 },
    HNSW { max_connections: u32 },
    FLAT,
}

pub struct IndexStatistics {
    pub num_rows: u64,
    pub index_size: u64,
    pub build_time_ms: u64,
    pub search_latency_ms: f64,
}

向量索引搜索

IVF 索引搜索

rust 复制代码
pub async fn search_ivf(
    &self,
    query_vector: &[f32],
    k: usize,
    nprobes: Option<usize>,
) -> Result<Vec<SearchResult>> {
    // 1. 计算到质心的距离
    let distances = compute_distances_to_centroids(query_vector)?;
    
    // 2. 选择最近的 nprobes 个分区
    let nprobes = nprobes.unwrap_or(20);
    let top_partitions = select_top_k(&distances, nprobes)?;
    
    // 3. 在分区内搜索
    let mut candidates = Vec::new();
    for partition_idx in top_partitions {
        let vectors = get_partition_vectors(partition_idx)?;
        for (row_id, vector) in vectors.iter().enumerate() {
            let distance = l2_distance(query_vector, &vector)?;
            candidates.push((row_id as u64, distance));
        }
    }
    
    // 4. 返回 Top-K
    candidates.sort_by(|a, b| a.1.partial_cmp(&b.1).unwrap());
    Ok(candidates.into_iter().take(k)
        .map(|(row_id, score)| SearchResult { row_id, score, data: None })
        .collect())
}

HNSW 索引搜索

rust 复制代码
pub async fn search_hnsw(
    &self,
    query_vector: &[f32],
    k: usize,
) -> Result<Vec<SearchResult>> {
    // 从顶层开始贪心搜索
    let mut current_nearest = start_search_at_layer(0)?;
    
    // 从上到下逐层搜索
    for layer in 1..self.max_layer {
        current_nearest = search_layer(
            &current_nearest,
            query_vector,
            layer,
        )?;
    }
    
    // 底层详细搜索
    let results = search_layer_detailed(
        &current_nearest,
        query_vector,
        0,
        k,
    )?;
    
    Ok(results)
}

量化优化

乘积量化(PQ)

rust 复制代码
pub struct ProductQuantizer {
    num_subvectors: usize,
    bits_per_subvector: u8,
    codebooks: Vec<Vec<f32>>,
}

impl ProductQuantizer {
    pub fn encode(&self, vector: &[f32]) -> Result<Vec<u8>> {
        let subvector_size = vector.len() / self.num_subvectors;
        let mut codes = Vec::new();
        
        for i in 0..self.num_subvectors {
            let start = i * subvector_size;
            let end = start + subvector_size;
            let subvector = &vector[start..end];
            
            let code = self.find_nearest_centroid(i, subvector)?;
            codes.push(code);
        }
        
        Ok(codes)
    }
}

真实世界场景

语义搜索示例

rust 复制代码
pub async fn semantic_search(
    dataset_uri: &str,
    query_text: &str,
    k: usize,
) -> Result<Vec<SearchResult>> {
    // 1. 打开数据集
    let dataset = Dataset::open(dataset_uri).await?;
    
    // 2. 文本转向量
    let query_embedding = embed_text(query_text).await?;
    
    // 3. 向量搜索
    let search_query = SearchQuery {
        column: "embedding".to_string(),
        vector: query_embedding,
        k,
        metric: DistanceMetric::L2,
        nprobes: Some(20),
        filters: None,
    };
    
    dataset.search(&search_query).await
}

总结

Lance 索引系统特点:

  1. 多种索引类型:IVF、HNSW、FLAT
  2. 高性能搜索:量化加速、分区优化
  3. 灵活配置:nprobes、metrics、filters
  4. 生产级质量:版本管理、缓存优化
  5. 易用接口:简洁的搜索 API
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