【Lucene3.0 初窥】文本分析器Analyzer

ゝ一世哀愁。 2022-03-17 05:36 196阅读 0赞

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一个优秀的IR system要做好的第一件事就是利用自然语言处理技术(NLP)对文本进行分析。其中分词是最基本的，其性能直接决定IR system的搜索精度和速度。因此，大型Web搜索引擎都有自己的分词工具。

Lucene3.0 的分析器由三个包组成：

(1) org.apache.lucene.analysis 是Lucene分析器的基本结构包。包含了分析器最底层的结构(Analyzer、Tokenizer、TokenFilter接口和抽象类)，一些简单分析器的具体实现类(如SimpleAnayzer, StopAnalyzer)，一些常用的分词器和过滤器(如LowerCaseTokenizer、LowerCaseFilter)。

(2) org.apache.lucene.analysis.standard 是Lucene标准分析器的实现包。其功能就是为了实现英文的标准分词。

(3) org.apache.lucene.analysis.tokenattribute 是分词后token的属性结构包。其实Lucene分词并不仅仅只是得到词语本身，而是要得到每个词语的多种信息(属性)。比如词语字符串、类型、位置信息、存储的时候元数据信息等等。

**一、 Lucene的分析器结构 **

org.apache.lucene.analysis 是Lucene Analyzer底层结构包。主要包括Analyzer、Tokenizer和TokenFilter的接口规定。实际上，Lucene的Analyzer主要功能包括两个部分：(1)Tokenzier 分词器  (2)TokenFilter过滤器。

/**
     * Analyzer 定义了从文本中抽取词的一组规范。
     * 首先要实现一个Tokenizer，这个类会把输入流中的字符串切分成原始的词元。
     * 然后多个TokenFilter 就能够将这些词元规范化得到分词的结果
     */
    public abstract class Analyzer implements Closeable {
          //具体实现应该是要返回一个嵌套了分词器和过滤器的对象。     
          public abstract TokenStream tokenStream(String fieldName, Reader reader);
          //......
    }

要实现一种Lucene的分析器(Analyzer)，至少要实现一个分词器(Tokenizer)。对于特定语言来说，必要的过滤器(TokenFilter)也是不可缺少的。其中过滤器有很多种，主要可以用来对分词结果进行标准化。比如去停用词、转换大小写、英文的词干化(stemming)和 词类归并  (lemmatization)等等。下面我们看看Tokenizer和TokenFilter的主要代码：

//Tokenizer
    public abstract class Tokenizer extends TokenStream {
         /**待分词的文本输入流 */
         protected Reader input;
         /**无参构造器 */
         protected Tokenizer() {
         }
         /** 带输入流的构造器*/
         protected Tokenizer(Reader input) {
              this.input = CharReader.get(input);
         }
         /** 关闭输入流 */
         @Override
         public void close() throws IOException {
             input.close();
         }
    }

//TokenFilter
    public abstract class TokenFilter extends TokenStream {
      /** 待过滤的词元流 */
      protected final TokenStream input;
      /** 构造器 */
      protected TokenFilter(TokenStream input) {
           super(input);
            this.input = input;
      }
      /** 关闭流 */
      @Override
      public void close() throws IOException {
            input.close();
      }
    }

分词器和过滤器都是TokenStream的子类。而过滤器的构造参数需要的就是TokenStream。这是一种装饰者的模式设计，我们可以通过嵌套调用来达到不同的过滤目的。比如： new XTokenFilter(new YTokenFilter( new XTokenizer))。

相对于老版本的Lucene分词器，3.0版本的Lucene的Tokenizer多了一种构造器。

protected Tokenizer(AttributeSource source)

**二、Lucene的标准分析器——StandardAnalyzer**

org.apache.lucene.analysis.standard 包含了Lucene的标准分析器(StandardAnalyzer)，它由标准分词器(StandardTokenizer)和标准过滤器(StandardFilter)构成。都只能处理英文。

StandardAnalyzer 部分源代码如下：

public class StandardAnalyzer extends Analyzer {
            /**英语停用词表*/
            public static final Set<?> STOP_WORDS_SET = StopAnalyzer.ENGLISH_STOP_WORDS_SET;
            /**若干构造器*/
            public StandardAnalyzer(Version matchVersion) {
               this(matchVersion, STOP_WORDS_SET);
            }
            /**分词并进行标准过滤、大小写过滤和停用词过滤*/
            @Override
            public TokenStream tokenStream(String fieldName, Reader reader) {
                     //构造一个标准分词器，并进行分词
                     StandardTokenizer tokenStream = new StandardTokenizer(matchVersion, reader);
                     //设置分词后词元流的最大长度
                     tokenStream.setMaxTokenLength(maxTokenLength);
                     //进行标准过滤
                     TokenStream result = new StandardFilter(tokenStream);
                     //进行大小写过滤
                     result = new LowerCaseFilter(result);
                     //进行停用词过滤
                     result = new StopFilter(enableStopPositionIncrements, result, stopSet);
                     return result;
           }
    
    }

StandardAnalyzer是Lucene索引建立和检索索引时都需要使用的分析器，tokenStream方法的作用就是对输入流reader先进行分词，再进行一系列的过滤。

标准分词器：StandardTokenizer

public final class StandardTokenizer extends Tokenizer {
    
           /**JFlex扫描器*/
           private final StandardTokenizerImpl scanner;
          /**从输入流字串中解析出的词元的各种信息*/
           private TermAttribute termAtt; //词元的内容，如"tearcher"  "xy12@yahoo.com"  "1421"
           private OffsetAttribute offsetAtt;  //词元的首字母和尾字母在文本中的位置信息
           private PositionIncrementAttribute posIncrAtt;  //当前词元在TokenStream中相对于前一个token的位置，用于短语搜索
           private TypeAttribute typeAtt;  //词元所属的类别,，如<ALPHANUM>、<EMAIL>、<NUM>
    
           //标准分词器构造器，并用JFlex对象解析输入流
           public StandardTokenizer(Version matchVersion, Reader input) {
                  super();
                  this.scanner = new StandardTokenizerImpl(input);
                  init(input, matchVersion);
           }
            //初始化词元的属性信息
           private void init(Reader input, Version matchVersion) {
               if (matchVersion.onOrAfter(Version.LUCENE_24)) {
                      replaceInvalidAcronym = true;
               } else {
                     replaceInvalidAcronym = false;
               }
                this.input = input;    
                termAtt = addAttribute(TermAttribute.class);
                offsetAtt = addAttribute(OffsetAttribute.class);
                posIncrAtt = addAttribute(PositionIncrementAttribute.class);
                typeAtt = addAttribute(TypeAttribute.class);
           }
    
           //将JFlex扫描后的匹配结果按词元的不同属性存储
           //比如当前词元是I'm  则将I'm存储到TermAttribute中，而<APOSTROPHE>则存放到TypeAttribute中。
           @Override
           public final boolean incrementToken() throws IOException {
                clearAttributes();
                int posIncr = 1;
    
                while(true) {
                     //通过JFlex扫描器scanner取得与规则相匹配的当前词元，否则返回-1
                     int tokenType = scanner.getNextToken();
    
                     if (tokenType == StandardTokenizerImpl.YYEOF) {
                         return false;
                     }
                     //scanner.yylength() 是当前词元的长度，maxTokenLength是词元允许的最大长度，值为255    
                     if (scanner.yylength() <= maxTokenLength) {
                           posIncrAtt.setPositionIncrement(posIncr);
                           //将当前词元字串储记录在TermAttribute属性中，比如“I'm”
                           scanner.getText(termAtt);
                           //得到当前词元首字母在整个文本内容中的位置
                           final int start = scanner.yychar();             
                           //将当前词元的位置信息(开始位置，结束位置)记录在OffsetAttribute属性中      
                           offsetAtt.setOffset(correctOffset(start), correctOffset(start+termAtt.termLength()));
                           //确定当前词元的类别信息，并记录在TypeAttribute属性中
                           if (tokenType == StandardTokenizerImpl.ACRONYM_DEP) {
                           if (replaceInvalidAcronym) {
                               typeAtt.setType(StandardTokenizerImpl.TOKEN_TYPES[StandardTokenizerImpl.HOST]);
                               termAtt.setTermLength(termAtt.termLength() - 1); 
                           } else {
                               typeAtt.setType(StandardTokenizerImpl.TOKEN_TYPES[StandardTokenizerImpl.ACRONYM]);
                           }
                      } else {
                           typeAtt.setType(StandardTokenizerImpl.TOKEN_TYPES[tokenType]);
                      }
                      return true;
                 } else
                     posIncr++;
                }
           }
     }

Lucene的英文分词器使用了JFlex的词法扫描方法。其具体实现在初始化StandardTokenizerImpl类时，通过调用类中的静态方法和StandardTokenizerImpl.jflex词法描述文件来一起解析待分词的输入流。并将最后扫描出来的词语分成    <ALPHANUM>、<APOSTROPHE>、<ACRONYM>、<COMPANY>、<EMAIL>、<HOST>、<NUM>、<CJ>、 <ACRONYM\_DEP>九大类。这一过程和Java编译器的词法分析程序对Java程序的关键字、变量名等进行解析是一样的。因此想要了解JFlex，必须知道编译原理的相关知识，这里就不展开了(因为我也不知道)。

scanner是StandardTokenizerImpl类初始化的对象，这个对象里存储了扫描输入流字串得到的词元信息(词元的内容、长度、所属的类别、所在位置等)。相对于较早的版本，Lucene 3.0在这里有很大的变化。它没有用next()方法直接得到TokenStream的下一个词元内容，而是使用incrementToken()方法将每一个scanner.getNextToken()的各种词元信息保存在不同类型的Attribute里面，比如TermAttribute用于保存词元的内容，TyteAttribute用于保存词元的类型。

标准过滤器：StandardFilter

public final class StandardFilter extends TokenFilter {
     
       /**
        * 去除词语末尾的“'s”   如  it's-> it
        * 去除缩略语中的“.”  如U.S.A -> USA
        */
        @Override
        public final boolean incrementToken() throws java.io.IOException {
             if (!input.incrementToken()) {
                 return false;
             }
             char[] buffer = termAtt.termBuffer();
             final int bufferLength = termAtt.termLength();
             final String type = typeAtt.type();
             if (type == APOSTROPHE_TYPE && bufferLength >= 2 && buffer[bufferLength-2] == '\'' && (buffer[bufferLength-1] == 's' || buffer[bufferLength-1] == 'S')) {
          
                     termAtt.setTermLength(bufferLength - 2);
              } else if (type == ACRONYM_TYPE) {    
                     int upto = 0;
                     for(int i=0;i<bufferLength;i++) {
                           char c = buffer[i];
                           if (c != '.')
                                 buffer[upto++] = c;
                     }
                     termAtt.setTermLength(upto);
               }
           return true;
        }
    }

**三、token的属性结构Attribute**

首先我们用下面的代码来看看打印标准分词器的运行结果

class StandardTest{
    	public static void main(String[] args) throws IOException{
    		//输入流
    		StringReader s=new StringReader(new String("I'm a student. these are apples"));
                    //标准分词
    		TokenStream tokenStream = new StandardTokenizer(Version.LUCENE_CURRENT, s);
    		//标准过滤
                    tokenStream=new StandardFilter(tokenStream);
                    //大小写过滤
    		tokenStream=new LowerCaseFilter(tokenStream);
    		
    		TermAttribute termAtt=(TermAttribute)tokenStream.getAttribute(TermAttribute.class);
    		TypeAttribute typeAtt=(TypeAttribute)tokenStream.getAttribute(TypeAttribute.class);
    		OffsetAttribute offsetAtt=(OffsetAttribute)tokenStream.getAttribute(OffsetAttribute.class);
    		PositionIncrementAttribute  posAtt=(PositionIncrementAttribute)tokenStream.getAttribute(PositionIncrementAttribute.class);
      		
    		
    		System.out.println("termAtt       typeAtt       offsetAtt       posAtt");
    		while (tokenStream.incrementToken())  {  
    			System.out.println(termAtt.term()+" "+typeAtt.type()+" ("+offsetAtt.startOffset()+","+offsetAtt.endOffset()+")   "+posAtt.getPositionIncrement());  
    		} 
            }
    }

打印结果：

<table style="color:rgb(0,0,0); font-family:Helvetica,Tahoma,Arial,sans-serif; font-size:14px; line-height:25.1875px; height:142px"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">termAtt</td> 
   <td style="font-size:1em">typeAtt</td> 
   <td style="font-size:1em">offsetAtt</td> 
   <td style="font-size:1em">posAtt</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">i'm</td> 
   <td style="font-size:1em">&lt;APOSTROPHE&gt;</td> 
   <td style="font-size:1em">(0,3)</td> 
   <td style="font-size:1em">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">a</td> 
   <td style="font-size:1em">&lt;ALPHANUM&gt;</td> 
   <td style="font-size:1em">(4,5)</td> 
   <td style="font-size:1em">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">student</td> 
   <td style="font-size:1em">&lt;ALPHANUM&gt;</td> 
   <td style="font-size:1em">(6,13)</td> 
   <td style="font-size:1em">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">these</td> 
   <td style="font-size:1em">&lt;ALPHANUM&gt;</td> 
   <td style="font-size:1em">(15,20)</td> 
   <td style="font-size:1em">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">are</td> 
   <td style="font-size:1em">&lt;ALPHANUM&gt;</td> 
   <td style="font-size:1em">(21,34)</td> 
   <td style="font-size:1em">1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td style="font-size:1em">apples</td> 
   <td style="font-size:1em">&lt;ALPHANUM&gt;</td> 
   <td style="font-size:1em">(25,31)</td> 
   <td style="font-size:1em">1</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

在前面讲 StandardTokenizer的的时候，我们已经谈到了token的这四种属性。在这里我们再次强调一下这些Lucene的基础知识。

Lucene 3.0之后，TokenStream中的每一个token不再用next()方法返回，而是采用了incrementToken()方法(具体参见上面)。每调用一次incrementToken()，都会得到token的四种属性信息(org.apache.lucene.analysis.tokenattributes包中):

如上例：

原文本：I'm a student. these are apples

TokenSteam： \[1：  I'm \]  \[2：a\]   \[3：student\]     \[4：these\]   \[5：are \]   \[6：apples\]

(1) TermAttribute： 表示token的字符串信息。比如"I'm"

(2) TypeAttribute： 表示token的类别信息(在上面讲到)。比如 I'm 就属于<APOSTROPHE>，有撇号的类型

(3) OffsetAttribute：表示token的首字母和尾字母在原文本中的位置。比如 I'm 的位置信息就是(0,3)

(4) PositionIncrementAttribute：这个有点特殊，它表示tokenStream中的当前token与前一个token在实际的原文本中相隔的词语数量。

比如： 在tokenStream中\[2：a\] 的前一个token是\[1：  I'm \] ，它们在原文本中相隔的词语数是1，则token="a"的PositionIncrementAttribute值为1。如果token是原文本中的第一个词，则默认值为1。因此上面例子的PositionIncrementAttribute结果就全是1了。

如果我们使用停用词表来进行过滤之后的话：TokenSteam就会变成： \[1：  I'm \]   \[2：student\]    \[3：apples\]这时student的PositionIncrementAttribute值就不会再是1，而是与\[1：  I'm \]在原文本中相隔词语数量=2。而apples则变成了5。

那么这个属性有什么用呢，用处很大的。加入我们想搜索一个短语student apples(假如有这个短语)。很显然，用户是要搜索出student apples紧挨着出现的文档。这个时候我们找到了某一篇文档(比如上面例子的字符串)都含有student apples。但是由于apples的PositionIncrementAttribute值是5，说明肯定没有紧挨着。怎么样，用处很大吧。轻而易举的解决了短语搜索的难题哦。

其实还有两种：PayloadAttribute和FlagsAttribute。我暂时还不知道他们的具体作用

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