ElasticSearch 分词器、自定义分词器以及倒排索引

分手后的思念是犯贱 2022-12-02 15:27 275阅读 0赞

# 倒排索引 #

## 索引(正排索引) ##

索引或者叫做正排索引的概念，想必都不陌生，有个非常经典的例子，就是书本的目录，索引就类似目录，你可以根据目录的页码很方便的找到你所要找到的内容地址。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
如上这张图片，我们可以很方便的根据目录(索引)来找到这一章节的位置，这就是正排索引，关系型数据库用的就是正排索引，mysql 的 b数构建主键索引树时，其实就是主键ID指向地址。

## 倒排索引 ##

倒排索引的出现，是为了解决海量数据搜索的问题出现的。一个搜索引擎，如果有几十亿的数据，你想从这几十亿的数据中捞出你想要的数据，如果按照索引的概念来搜索，是个非常巨大的工作量，首先你需要一次次的翻找目录找到页码才可以定位到内容地址，但是如果有一种索引，可以直接根据某个单词找到页码在找到内容地址，这样无疑会省事很多。  
倒排索引就是一种这样的索引结构。(其实就是正排索引倒着来，正排索引是由页码到内容，倒排索引是由内容单词到页码再到内容地址。)  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

## 索引 与 倒排索引 的例子 ##

这里举了一个例子，有三个文档，分别是 Mastering ElasticSearch 、 ElasticSearch Server、ElasticSearch Essentials，正排索引的话，其实就是左边的结构，文档id 直接映射到文档内容上，但是如果是倒排索引的话，则会先将这三个文档进行分词，分成 ElasticSearch 、Mastering 、Server、Essentials 这四个词项(Term)，然后还会对这四个词项的出现次数做一个统计，并且还会为每一个词项出现在的文档id以及出现的位置做一个统计 (DocumentId:Position)，比如 ElasticSearch 出现在了第一个文档的第二个位置，那么对应的就是 1:1 文档ID：出现的位置(从0开始)。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
统计词项的时候，会穷举统计词项出现在所有文档的位置，这样搜索的时候，就可以直接通过 ElasticSearch 找到文档id并且还能找到出现位置高亮显示。

## ElasticSearch 倒排索引的组成 ##

*  单词词典(Iterm),记录所有文档的单词，记录单词到倒排列表的关系  
    单词词典一般通过 b+ 树实现
 *  倒排列表(Posting List) 记录了单词对应文档id的集合，集合中的对象称为倒排索引项，一个索引项包含以下几个内容  
    \- 文档Id （Doc ID）  
    \- 词频 （TF） (单词出现的次数， ElastticSearch 相关性得分就是根据这个算的)  
    \- 位置（Position），单词在文档中出现的位置，用于语句搜索  
    \- 偏移量 （Offset），记录单词的开始结束位置，用于高亮显示  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
    以上就是 ElasticSearch 的一个简单的文档倒排索引，这个例子统计的是 ElasticSearch 词项，可以看到ElasticSearch 这个词项的倒排列表有文档ID、TF、Position、Offset等信息。  
    比如：ElasticSearch 这个单词在第一个文档中出现了一次，位置是第二个单词，起始位置是从第10个字母开始到23个字母结束。

# 分词器 #

## Analysis 分析 与 Analyzer 分词器 ##

*  ElasticSearch中的 Analysis 分析这个概念更像是一个过程，是指把全文本转化成一系列单词的过程，也叫分词。
 *  Analyzer 分词器是一种功能工具，分词就是通过分词器来实现的，分词器就是将具体的文本分解成一个个单词，比如 ElasticSearch Engilist，会被分词器分解成 ElasticSearch 与 English 两个单词
 *  ElasticSearch 在查询的时候，也是需要进行分词器将查询文本进行分词的。

## Analyzer 分词器的组成 ##

*  Character Filters, 主要是对原始文本做一些处理过滤，比如将 html 标签给去除掉不参与分词，例如：\]< text >ElasticSearch Server</ text >，经过Character Filters会变成 ElasticSearch Server
 *  Tokenizer 按照一定的规则切分单词，比如按照空格去切分，ElasticSearch Server 会被切分成 ElasticSearch 与 Server 两个单词
 *  Token Filter 对切分出来的单词进行进一步处理(小写、过滤掉停用词、同义词处理、复数单词处理)，比如将将大写变成小写，ElasticSearch 与 Server 经过这一步后会变成 elasticsearch 与 server

## 测试分词效果 \_analyzer API ##

\_analyzer API 是ElasticSearch 开放出来的一款可以针对指定的分词器测试分词效果

*  \_analyzer API 可以直接指定 Analyzer 进行测试，不需要指定索引
 *  \_analyzer API 可以指定索引的字段进行分词测试
 *  \_analyzer API 还可以自定义分词器进行测试

#### 直接指定 Analyzer 进行测试 ####

请求格式：GET + \_analyze + 请求体(指定分词器 + 要分词的文本)

#standard
    GET _analyze
    { 
      "analyzer": "standard", # 分词器
      "text": "2 running Quick brown-foxes leap over lazy dogs in the summer evening." # 要分词的文本
    }

#### 指定索引字段进行分词 ####

请求格式：POST + 索引+ \_analyze + 请求体(指定字段 + 要分词的文本)

POST movies/_analyze 
    { 
      "field": "genre",
      "text": "Master ElasticSearch"
    }

#### 自定义分词器测试 ####

POST _analyze
    { 
      "tokenizer": "standard", 
      "filter": ["lowercase"],
      "text": "Master ElasticSearch"
    }

## 内置分词器 ##

#### ElasticSearch 内置的几个分词器 ####

*  Standard Analyzer - 默认分词器，按词切分，小写处理
 *  Simple Analyzer - 按照非字母切分(符号被过滤), 小写处理
 *  Stop Analyzer - 小写处理，停用词过滤(the,a,is)
 *  Whitespace Analyzer - 按照空格切分，不转小写
 *  Keyword Analyzer - 不分词，直接将输入当作输出
 *  Patter Analyzer - 正则表达式，默认\\W+(非字符分割)
 *  Language - 提供了30多种常见语言的分词器
 *  Customer Analyzer 自定义分词器

#### Standard Analyzer ####

*  默认分词器
 *  按词切分
 *  小写处理

#standard
    GET _analyze
    { 
      "analyzer": "standard",
      "text": "2 running Quick brown-foxes leap over lazy dogs in the summer evening."
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]  
可以看到 2 running Quick 被按照空格分成了三个词，并且 Quick 小写，至于每个词项的内容，还有我们前边分析过的 偏移量以及位置

#### Simple Analyzer ####

*  按照单词与非字母切分，非字母的都去掉
 *  小写处理

#simpe
    GET _analyze
    { 
      "analyzer": "simple",
      "text": "2 running Quick brown-foxes leap over lazy dogs in the summer evening."
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

我们可以明显看到，2 这个字符被去掉了，并且 Quick 被小写了，最关键的 brown-foxes 被切分成了两个词项，因为 - 不是字母

#### Stop Analyzer ####

*  按照单词与非字母切分，非字母的都去掉
 *  小写处理
 *  会吧 is the 等修饰性词语去掉

# stop
    GET _analyze
    { 
      "analyzer": "stop",
      "text": "2 running Quick brown-foxes leap over lazy dogs in the summer evening."
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]  
stop 相比 Simple Analyzer ，可以看到除了非字母过滤外，又多了 修饰词过滤， in the 两个修饰词都没有出现在词项中。

#### Whitespace Analyze ####

*  按照空格切分

# whitespace
    GET _analyze
    { 
      "analyzer": "whitespace",
      "text": "2 running Quick brown-foxes leap over lazy dogs in the summer evening."
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]  
可以看到并没有进行数字以及大小写的过滤，单纯只是根据空格切分了一下词项

#### Patter Analyzer ####

*  正则表达式
 *  默认\\W+(非字符分割)

Patter 的结果还是与 Simple Analyzer 相似的，因为这里是默认的选择。  
Patter Analyzer 的一些设置参数，我们可以通过自定义参数来设置 Patter 的分词功能，因为他支持正则表达式。

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>项目</th> 
   <th>Value</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>pattern</td> 
   <td>一个Java的正则表达式，则默认为\W+。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>flags</td> 
   <td>Java正则表达式标志。标志应用管道分隔，例如"CASE_INSENSITIVE</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>lowercase</td> 
   <td>是否将分词转成小写。默认为true。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>stopwords</td> 
   <td>预定义的停用词列表，例如_english_或包含停用词列表的数组。默认为_none_。</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>stopwords_path</td> 
   <td>包含停用词的文件的路径。</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

我们先自定义一个分词器 my\_email\_analyzer，并且设置分词器的类型为 pattern 并且 支持小写

#自定义一个分词器，使用 pattern并给自定义正则表达式，lowercase 设为 true
    PUT my-index-000001
    { 
      "settings": { 
        "analysis": { 
          "analyzer": { 
            "my_email_analyzer": { 
              "type":      "pattern",
              "pattern":   "\\W|_", 
              "lowercase": true
            }
          }
        }
      }
    }
    
    #查看分词效果
    POST my-index-000001/_analyze
    { 
      "analyzer": "my_email_analyzer",
      "text": "John_Smith@foo-bar.com"
    }

结果：\[ john, smith, foo, bar, com \]，可以看到 将分词根据非字母进行拆分并且将词语进行了小写

#### Language ####

ElasticSearch 为不同国家的语言都做了一个分词器，比如英语用的是 english，中文分词一般推荐使用icu\_analyzer 这个分词器。

支持语言：arabic, armenian, basque, bengali, bulgarian, catalan, czech, dutch, english, finnish, french, galician, german, hindi, hungarian, indonesian, irish, italian, latvian, lithuanian, norwegian, portuguese, romanian, russian, sorani, spanish, swedish, turkish.

*  IK 中文分词器，支持自定义词典
 *  icu\_analyze 支持大多数的中文分词
 *  THULAC 清华大学自然语言处理的一款中文分词器

中文分词的难点，是在于中文的博大精深，每次子在不同的场景下，所表示的语义是不同的，尤其是成语，中文分词要讲一句话分解成为一个个的词，而不是一个个的字，所以一款好的中文分词是比较难搞的。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQxMDYzMTgy_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 8]  
可以看到，icu\_analyze 会将 确实 这种词语分成一个词而不是一个个的字。

## 自定义分词器 ##

当ElasticSearch 提供的一些分词器不满足我们的特定场景时，可以自定义一个分词器。之前介绍过一个分词器的三个核心，自定义分词器其实就是对这三个部分分别设置组合功能。

#### Character Filters ####

Character Filters会过滤掉一些词，ElasticSearch 提供了一些自带的过滤组件

*  html\_strip - 去除 html 标签
 *  mapping- 字符串替换
 *  pattern\_replace - 正则表达式替换

#使用 html_strip 过滤器
    POST _analyze
    { 
      "tokenizer":"keyword",
      "char_filter":["html_strip"],
      "text": "<b>hello world</b>"
    }

会得到 hello world 结果，将 < b > 标签替换掉了

#char filter 替换表情符号
    POST _analyze
    { 
      "tokenizer": "standard",
      "char_filter": [
          { 
            "type" : "mapping",
            "mappings" : [ ":) => happy", ":( => sad"]
          }
        ],
        "text": ["I am felling :)", "Feeling :( today"]
    }

结果：happy sad，符号已经被替换掉了。  
mappings 的用法是，指定type 为 mapping，并且在 mappings 中配置你要转义的词 比如要将 : ) 笑脸符号转化成 happy单词 ，那么可以在mappings 中写 “: ) => happy”, “: ( => sad”，ElasticSearch 就会知道你要干什么。

#### Tokenizer ####

Tokenizer 是按照分词规则将一个文本切分成不同的词项，ElastciSearch 内置了一些 Tokenizer

*  whitespace - 以空格的方式分词
 *  standard - 按照字母分词
 *  path\_hierarchy - 按照文件的输入路径分词
 *  keyword - 不分词
 *  pattern - 按照正则表达式分词
 *  uax\_url\_email - 按照邮箱的规则分词

# 按照路径去分词
    POST _analyze
    { 
      "tokenizer":"path_hierarchy",
      "text":"/user/ymruan/a/b/c/d/e"
    }

结果是 “/user” /user/ymruan“ “/user/ymruan/a” /user/ymruan/a/b ，可以看到 path\_hierarchy 会将目录一级一级的切分出来。

#### Token Filter ####

是对 Tokenizer 处理出来的单词进行进一步的加工，ElasticSearch 也提供了几个默认的 Token Filter

*  lowercase - 大小写
 *  stop - 停用词过滤
 *  synonym - 同义词转换  
    配置 tokenfileter 是在分词器的 “filter” 属性中配置

#whitespace与stop
    GET _analyze
    { 
      "tokenizer": "whitespace",
      "filter": ["stop","snowball"],
      "text": ["The rain in Spain falls mainly on the plain."]
    }

结果： rain Spain fall main  
可以看到 in 等停用词已经被过滤掉了并且 falls mainly 的复词也被替换成了简单的同义词。

## 自定义分词器API ##

分词器其实是设置在 索引的 settings 部分的，可以在创建索引的时候自定义一个分词器。

PUT my_index
    { 
      "settings":{ 
        "analysis":{ 
          "analyzer":{ 
            "my_tokenizer": { 
              "type":"englist",
              "char_filter": ["html_strip"],
              "tokenizer":"keyword",
              "filter": ["lowercase","stop","snowball"]
            }
          }
        }
      }
    }

这样我们在 analysis 下的 analyzer 定义了一个自己的分词器名字是 my\_tokenizer，使用了 char\_filter、tokenizer、filter等功能。  
格式最好如果这个一样。

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