Lucene学习总结之八：Lucene的查询语法，JavaCC及QueryParser(1)转

一、Lucene的查询语法

Lucene所支持的查询语法可见http://lucene.apache.org/java/3_0_1/queryparsersyntax.html

(1) 语法关键字

+ - && || ! ( ) { } [ ] ^ " ~ * ? : \

如果所要查询的查询词中本身包含关键字，则需要用\进行转义

(2) 查询词(Term)

Lucene支持两种查询词，一种是单一查询词，如"hello"，一种是词组(phrase)，如"hello world"。

(3) 查询域(Field)

在查询语句中，可以指定从哪个域中寻找查询词，如果不指定，则从默认域中查找。

查询域和查询词之间用:分隔，如title:"Do it right"。

:仅对紧跟其后的查询词起作用，如果title:Do it right，则仅表示在title中查询Do，而it right要在默认域中查询。

(4) 通配符查询(Wildcard)

支持两种通配符：?表示一个字符，*表示多个字符。

通配符可以出现在查询词的中间或者末尾，如te?t，test*，te*t，但决不能出现在开始，如*test，?test。

(5) 模糊查询(Fuzzy)

模糊查询的算法是基于Levenshtein Distance，也即当两个词的差别小于某个比例的时候，就算匹配，如roam~0.8，即表示差别小于0.2，相似度大于0.8才算匹配。

(6) 临近查询(Proximity)

在词组后面跟随~10，表示词组中的多个词之间的距离之和不超过10，则满足查询。

所谓词之间的距离，即查询词组中词为满足和目标词组相同的最小移动次数。

如索引中有词组"apple boy cat"。

如果查询词为"apple boy cat"~0，则匹配。

如果查询词为"boy apple cat"~2，距离设为2方能匹配，设为1则不能匹配。

(0)	boy	apple	cat
(1)		boy apple	cat
(2)	apple	boy	cat

如果查询词为"cat boy apple"~4，距离设为4方能匹配。

(0)	cat	boy	apple
(1)		cat boy	apple
(2)		boy	cat apple
(3)		boy apple	cat
(4)	apple	boy	cat

 

(7) 区间查询(Range)

区间查询包含两种，一种是包含边界，用[A TO B]指定，一种是不包含边界，用{A TO B}指定。

如date:[20020101 TO 20030101]，当然区间查询不仅仅用于时间，如title:{Aida TO Carmen}

(8) 增加一个查询词的权重(Boost)

可以在查询词后面加^N来设定此查询词的权重，默认是1，如果N大于1，则说明此查询词更重要，如果N小于1，则说明此查询词更不重要。

如jakarta^4 apache，"jakarta apache"^4 "Apache Lucene"

(9) 布尔操作符

布尔操作符包括连接符，如AND，OR，和修饰符，如NOT，+，-。

默认状态下，空格被认为是OR的关系，QueryParser.setDefaultOperator(Operator.AND)设置为空格为AND。

+表示一个查询语句是必须满足的(required)，NOT和-表示一个查询语句是不能满足的(prohibited)。

(10) 组合

可以用括号，将查询语句进行组合，从而设定优先级。

如(jakarta OR apache) AND website

 

Lucene的查询语法是由QueryParser来进行解析，从而生成查询对象的。

通过编译原理我们知道，解析一个语法表达式，需要经过词法分析和语法分析的过程，也即需要词法分析器和语法分析器。

QueryParser是通过JavaCC来生成词法分析器和语法分析器的。

 

二、JavaCC介绍

本节例子基本出于JavaCC tutorial的文章，http://www.engr.mun.ca/~theo/JavaCC-Tutorial/

JavaCC是一个词法分析器和语法分析器的生成器。

所谓词法分析器就是将一系列字符分成一个个的Token，并标记Token的分类。

例如，对于下面的C语言程序：

int main() {

    return 0 ;

}

   

将被分成以下的Token:

“int”, “ ”, “main”, “(”, “)”,

“”,“{”, “\n”, “\t”, “return”

“”,“0”,“”,“;”,“\n”,

“}”, “\n”, “”

标记了Token的类型后如下：

KWINT, SPACE, ID, OPAR, CPAR,

SPACE, OBRACE, SPACE, SPACE, KWRETURN,

SPACE, OCTALCONST, SPACE, SEMICOLON, SPACE,

CBRACE, SPACE, EOF

EOF表示文件的结束。

词法分析器工作过程如图所示：

 

 

此一系列Token将被传给语法分析器(当然并不是所有的Token都会传给语法分析器，本例中SPACE就例外)，从而形成一棵语法分析树来表示程序的结构。

 

 

JavaCC本身既不是一个词法分析器，也不是一个语法分析器，而是根据指定的规则生成两者的生成器。

2.1、第一个实例——正整数相加

下面我们来看第一个例子，即能够解析正整数相加的表达式，例如99+42+0+15。

(1) 生成一个adder.jj文件

此文件中写入的即生成词法分析器和语法分析器的规则。

(2) 设定选项，并声明类

 

/* adder.jj Adding up numbers */

options {

  STATIC = false ;

}

PARSER_BEGIN(Adder)

class Adder {

  static void main( String[] args ) throws ParseException, TokenMgrError {

    Adder parser = new Adder( System.in ) ;

    parser.Start() ;

  }

}

PARSER_END(Adder)

STATIC选项默认是true，设为false，使得生成的函数不是static的。

PARSER_BEGIN和PARSER_END之间的java代码部分，此部分不需要通过JavaCC根据规则生成java代码，而是直接拷贝到生成的java代码中的。

(3) 声明一个词法分析器

SKIP : { " " }

SKIP : { "\n" | "\r" | "\r\n" }

TOKEN : { < PLUS : "+" > }

TOKEN : { < NUMBER : (["0"-"9"])+ > }

第一二行表示空格和回车换行是不会传给语法分析器的。

第三行声明了一个Token，名称为PLUS，符号为“+”。

第四行声明了一个Token，名称为NUMBER，符号位一个或多个0-9的数的组合。

如果词法分析器分析的表达式如下：

• “123 + 456\n”，则分析为NUMBER, PLUS, NUMBER, EOF
• “123 - 456\n”，则报TokenMgrError，因为“-”不是一个有效的Token.
• “123 ++ 456\n”，则分析为NUMBER, PLUS, PLUS, NUMBER, EOF，词法分析正确，后面的语法分析将会错误。

(4) 声明一个语法分析器

void Start() :

{}

{

  <NUMBER>

  (

    <PLUS>

    <NUMBER>

  )*

  <EOF>

}

语法分析器使用BNF表达式。

上述声明将生成start函数，称为Adder类的一个成员函数

语法分析器要求输入的语句必须以NUMBER开始，以EOF结尾，中间是零到多个PLUS和NUMBER的组合。

(5) 用javacc编译adder.jj来生成语法分析器和词法分析器

最后生成的adder.jj如下：

options
{
  static = false;
}

PARSER_BEGIN(Adder)
package org.apache.javacc;

public class Adder
{
  public static void main(String args []) throws ParseException
  {
    Adder parser = new Adder(System.in);
    parser.start();
  }
}
PARSER_END(Adder)

SKIP :
{
  " "
| "\r"
| "\t"
| "\n"
}

TOKEN : /* OPERATORS */
{
  < PLUS : "+" >
}

TOKEN :
{
  < NUMBER : ([ "0"-"9" ])+ >
}

void start() :
{}
{
  <NUMBER>
  (
    <PLUS>
    <NUMBER>
  )*
}

用JavaCC编译adder.jj生成如下文件：

• Adder.java：语法分析器。其中的main函数是完全从adder.jj中拷贝的，而start函数是被javacc由adder.jj描述的规则生成的。
• AdderConstants.java：一些常量，如PLUS, NUMBER, EOF等。
• AdderTokenManager.java：词法分析器。
• ParseException.java：用于在语法分析错误的时候抛出。
• SimpleCharStream.java：用于将一系列字符串传入词法分析器。
• Token.java：代表词法分析后的一个个Token。Token对象有一个整型域kind，来表示此Token的类型(PLUS, NUMBER, EOF)，有一个String类型的域image，来表示此Token的值。
• TokenMgrError.java：用于在词法分析错误的时候抛出。

下面我们对adder.jj生成的start函数进行分析：

final public void start() throws ParseException {

  //从词法分析器取得下一个Token，而且要求必须是NUMBER类型，否则抛出异常。

  //此步要求表达式第一个出现的字符必须是NUMBER。

  jj_consume_token(NUMBER);

  label_1:

  while (true) {

    //jj_ntk()是取得下一个Token的类型，如果是PLUS，则继续进行，如果是EOF则退出循环。

    switch ((jj_ntk==-1)?jj_ntk():jj_ntk) {

    case PLUS:

      ;

      break;

    default:

      jj_la1[0] = jj_gen;

      break label_1;

    }

   //要求下一个PLUS字符，再下一个是一个NUMBER，如此下去。

    jj_consume_token(PLUS);

    jj_consume_token(NUMBER);

  }

}

(6) 运行Adder.java

如果输入“123+456”则不报任何错误。

如果输入“123++456”则报如下异常：

Exception in thread "main" org.apache.javacc.ParseException: Encountered " "+" "+ "" at line 1, column 5.
Was expecting:
    <NUMBER> ...
    at org.apache.javacc.Adder.generateParseException(Adder.java:185)
    at org.apache.javacc.Adder.jj_consume_token(Adder.java:123)
    at org.apache.javacc.Adder.start(Adder.java:24)
    at org.apache.javacc.Adder.main(Adder.java:8)

如果输入“123-456”则报如下异常：

Exception in thread "main" org.apache.javacc.TokenMgrError: Lexical error at line 1, column 4.  Encountered: "-" (45), after : ""
    at org.apache.javacc.AdderTokenManager.getNextToken(AdderTokenManager.java:262)
    at org.apache.javacc.Adder.jj_ntk(Adder.java:148)
    at org.apache.javacc.Adder.start(Adder.java:15)
    at org.apache.javacc.Adder.main(Adder.java:8)

2.2、扩展语法分析器

在上面的例子中的start函数中，我们仅仅通过语法分析器来判断输入的语句是否正确。

我们可以扩展BNF表达式，加入Java代码，使得经过语法分析后，得到我们想要的结果或者对象。

我们将start函数改写为：

int start() throws NumberFormatException :

{

  //start函数中有三个变量

  Token t ;

  int i ;

  int value ;

}

{

  //首先要求表达式的第一个一定是一个NUMBER，并把其值付给t

  t= <NUMBER>

  //将t的值取出来，解析为整型，放入变量i中

  { i = Integer.parseInt( t.image ) ; }

  //最后的结果value设为i

  { value = i ; }

  //紧接着应该是零个或者多个PLUS和NUMBER的组合

  (

    <PLUS>

    //每出现一个NUMBER，都将其付给t，并将t的值解析为整型，付给i

    t= <NUMBER>

    { i = Integer.parseInt( t.image ) ; }

    //将i加到value上

    { value += i ; }

  )*

  //最后的value就是表达式的和

  { return value ; }

}

生成的start函数如下：

final public int start() throws ParseException, NumberFormatException {

  Token t;

  int i;

  int value;

  t = jj_consume_token(NUMBER);

  i = Integer.parseInt(t.image);

  value = i;

  label_1: while (true) {

    switch ((jj_ntk == -1) ? jj_ntk() : jj_ntk) {

    case PLUS:

      ;

      break;

    default:

      jj_la1[0] = jj_gen;

      break label_1;

    }

    jj_consume_token(PLUS);

    t = jj_consume_token(NUMBER);

    i = Integer.parseInt(t.image);

    value += i;

  }

  {

    if (true)

      return value;

  }

  throw new Error("Missing return statement in function");

}

从上面的例子，我们发现，把一个NUMBER取出，并解析为整型这一步是可以共用的，所以可以抽象为一个函数：

int start() throws NumberFormatException :

{

  int i;

  int value ;

}

{

  value = getNextNumberValue()

  (

    <PLUS>

    i = getNextNumberValue()

    { value += i ; }

  )*

  { return value ; }

}

int getNextNumberValue() throws NumberFormatException :

{

  Token t ;

}

{

  t=<NUMBER>

  { return Integer.parseInt( t.image ) ; }

}

生成的函数如下：

 

final public int start() throws ParseException, NumberFormatException {

  int i;

  int value;

  value = getNextNumberValue();

  label_1: while (true) {

    switch ((jj_ntk == -1) ? jj_ntk() : jj_ntk) {

    case PLUS:

      ;

      break;

    default:

      jj_la1[0] = jj_gen;

      break label_1;

    }

    jj_consume_token(PLUS);

    i = getNextNumberValue();

    value += i;

  }

  {

    if (true)

      return value;

  }

  throw new Error("Missing return statement in function");

}

final public int getNextNumberValue() throws ParseException, NumberFormatException {

  Token t;

  t = jj_consume_token(NUMBER);

  {

    if (true)

      return Integer.parseInt(t.image);

  }

  throw new Error("Missing return statement in function");

}

 

2.3、第二个实例：计算器

(1) 生成一个calculator.jj文件

用于写入生成计算器词法分析器和语法分析器的规则。

(2) 设定选项，并声明类

options {

STATIC = false ;

}

PARSER_BEGIN(Calculator)

  import java.io.PrintStream ;

  class Calculator {

    static void main( String[] args ) throws ParseException, TokenMgrError, NumberFormatException {

      Calculator parser = new Calculator( System.in ) ;

      parser.Start( System.out ) ;

    }

    double previousValue = 0.0 ;

  }

PARSER_END(Calculator)

previousValue用来记录上一次计算的结果。

(3) 声明一个词法分析器

SKIP : { " " }

TOKEN : { < EOL:"\n" | "\r" | "\r\n" > }

TOKEN : { < PLUS : "+" > }

我们想要支持小数，则有四种情况：没有小数，小数点在中间，小数点在前面，小数点在后面。则语法规则如下：

TOKEN { < NUMBER : (["0"-"9"])+ | (["0"-"9"])+ "." (["0"-"9"])+ | (["0"-"9"])+ "." | "." (["0"-"9"])+ > }

由于同一个表达式["0"-"9"]使用了多次，因而我们可以定义变量，如下：

TOKEN : { < NUMBER : <DIGITS> | <DIGITS> "." <DIGITS> | <DIGITS> "." | "." <DIGITS>> }

TOKEN : { < #DIGITS : (["0"-"9"])+ > }

(4) 声明一个语法分析器

我们想做的计算器包含多行，每行都是一个四则运算表达式，语法规则如下：

Start -> (Expression EOL)* EOF

void Start(PrintStream printStream) throws NumberFormatException :

{}

{

  (

    previousValue = Expression()

    <EOL>

    { printStream.println( previousValue ) ; }

  )*

  <EOF>

}

每一行的四则运算表达式如果只包含加法，则语法规则如下：

Expression -> Primary (PLUS Primary)*

double Expression() throws NumberFormatException :

{

  double i ;

  double value ;

}

{

  value = Primary()

  (

    <PLUS>

    i= Primary()

    { value += i ; }

  )*

  { return value ; }

}

其中Primary()得到一个数的值：

double Primary() throws NumberFormatException :

{

  Token t ;

}

{

  t= <NUMBER>

  { return Double.parseDouble( t.image ) ; }

}

(5) 扩展词法分析器和语法分析器

如果我们想支持减法，则需要在词法分析器中添加：

TOKEN : { < MINUS : "-" > }

语法分析器应该变为：

Expression -> Primary (PLUS Primary | MINUS Primary)*

double Expression() throws NumberFormatException :

{

  double i ;

  double value ;

}

{

  value = Primary()

  (

    <PLUS>

    i = Primary()

    { value += i ; }

    |

    <MINUS>

    i = Primary()

    { value -= i ; }

  )*

  { return value ; }

}

如果我们想添加乘法和除法，则在词法分析器中应该加入：

TOKEN : { < TIMES : "*" > }

TOKEN : { < DIVIDE : "/" > }

对于加减乘除混合运算，则应该考虑优先级，乘除的优先级高于加减，应该先做乘除，再做加减：

Expression -> Term (PLUSTerm | MINUSTerm)*

Term -> Primary (TIMES Primary | DIVIDE Primary)*

double Expression() throws NumberFormatException :

{

  double i ;

  double value ;

}

{

  value = Term()

  (

    <PLUS>

    i= Term()

    { value += i ; }

    |

    <MINUS>

    i= Term()

    { value -= i ; }

  )*

  { return value ; }

}

double Term() throws NumberFormatException :

{

  double i ;

  double value ;

}

{

  value = Primary()

  (

    <TIMES>

    i = Primary()

    { value *= i ; }

    |

    <DIVIDE>

    i = Primary()

    { value /= i ; }

  )*

  { return value ; }

}

下面我们要开始支持括号，负号，以及取得上一行四则运算表达式的值。

对于词法分析器，我们添加如下Token：

TOKEN : { < OPEN PAR : "(" > }

TOKEN : { < CLOSE PAR : ")" > }

TOKEN : { < PREVIOUS : "$" > }

对于语法分析器，对于最基本的表达式，有四种情况：

其可以是一个NUMBER，也可以是上一行四则运算表达式的值PREVIOUS，也可以是被括号括起来的一个子语法表达式，也可以是取负的一个基本语法表达式。

Primary –> NUMBER | PREVIOUS | OPEN_PAR Expression CLOSE_PAR | MINUS Primary

double Primary() throws NumberFormatException :

{

  Token t ;

  double d ;

}

{

  t=<NUMBER>

  { return Double.parseDouble( t.image ) ; }

  |

  <PREVIOUS>

  { return previousValue ; }

  |

  <OPEN PAR> d=Expression() <CLOSE PAR>

  { return d ; }

  |

  <MINUS> d=Primary()

  { return -d ; }

}

(6) 用javacc编译calculator.jj来生成语法分析器和词法分析器

最后生成的calculator.jj如下：

options
{
  static = false;
}

PARSER_BEGIN(Calculator)
package org.apache.javacc.calculater;
  import java.io.PrintStream ;
  class Calculator {
    static void main( String[] args ) throws ParseException, TokenMgrError, NumberFormatException {
      Calculator parser = new Calculator( System.in ) ;
      parser.start( System.out ) ;
    }
    double previousValue = 0.0 ;
  }
PARSER_END(Calculator)

SKIP : { " " }
TOKEN : { < EOL: "\n" | "\r" | "\r\n" > }
TOKEN : { < PLUS : "+" > }
TOKEN : { < MINUS : "-" > }
TOKEN : { < TIMES : "*" > }
TOKEN : { < DIVIDE : "/" > }
TOKEN : { < NUMBER : <DIGITS> | <DIGITS> "." <DIGITS> | <DIGITS> "." | "." <DIGITS>> }
TOKEN : { < #DIGITS : (["0"-"9"])+ > }
TOKEN : { < OPEN_PAR : "(" > }
TOKEN : { < CLOSE_PAR : ")" > }
TOKEN : { < PREVIOUS : "$" > }

void start(PrintStream printStream) throws NumberFormatException :
{}
{
  (
    previousValue = Expression()
    { printStream.println( previousValue ) ; }
  )*
}

double Expression() throws NumberFormatException :
{
  double i ;
  double value ;
}
{
  value = Term()
  (
    <PLUS>
    i= Term()
    { value += i ; }
    |
    <MINUS>
    i= Term()
    { value -= i ; }
  )*
  { return value ; }
}

double Term() throws NumberFormatException :
{
  double i ;
  double value ;
}
{
  value = Primary()
  (
    <TIMES>
    i = Primary()
    { value *= i ; }
    |
    <DIVIDE>
    i = Primary()
    { value /= i ; }
  )*
  { return value ; }
}

double Primary() throws NumberFormatException :
{
  Token t ;
  double d ;
}
{
  t=<NUMBER>
  { return Double.parseDouble( t.image ) ; }
  |
  <PREVIOUS>
  { return previousValue ; }
  |
  <OPEN_PAR> d=Expression() <CLOSE_PAR>
  { return d ; }
  |
  <MINUS> d=Primary()
  { return -d ; }
}

生成的start函数如下：

final public void start(PrintStream printStream) throws ParseException, NumberFormatException {

  label_1:

  while (true) {

    switch ((jj_ntk==-1)?jj_ntk():jj_ntk) {

    case MINUS:

    case NUMBER:

    case OPEN_PAR:

    case PREVIOUS:

      ;

      break;

    default:

      jj_la1[0] = jj_gen;

      break label_1;

    }

    previousValue = Expression();

    printStream.println( previousValue ) ;

  }

}

final public double Expression() throws ParseException, NumberFormatException {

  double i ;

  double value ;

  value = Term();

  label_2:

  while (true) {

    switch ((jj_ntk==-1)?jj_ntk():jj_ntk) {

    case PLUS:

    case MINUS:

      ;

      break;

    default:

      jj_la1[1] = jj_gen;

      break label_2;

    }

    switch ((jj_ntk==-1)?jj_ntk():jj_ntk) {

    case PLUS:

      jj_consume_token(PLUS);

      i = Term();

      value += i ;

      break;

    case MINUS:

      jj_consume_token(MINUS);

      i = Term();

      value -= i ;

      break;

    default:

      jj_la1[2] = jj_gen;

      jj_consume_token(-1);

      throw new ParseException();

    }

  }

  {if (true) return value ;}

  throw new Error("Missing return statement in function");

}

final public double Term() throws ParseException, NumberFormatException {

  double i ;

  double value ;

  value = Primary();

  label_3:

  while (true) {

    switch ((jj_ntk==-1)?jj_ntk():jj_ntk) {

    case TIMES:

    case DIVIDE:

      ;

      break;

    default:

      jj_la1[3] = jj_gen;

      break label_3;

    }

    switch ((jj_ntk==-1)?jj_ntk():jj_ntk) {

    case TIMES:

      jj_consume_token(TIMES);

      i = Primary();

      value *= i ;

      break;

    case DIVIDE:

      jj_consume_token(DIVIDE);

      i = Primary();

      value /= i ;

      break;

    default:

      jj_la1[4] = jj_gen;

      jj_consume_token(-1);

      throw new ParseException();

    }

  }

  {if (true) return value ;}

  throw new Error("Missing return statement in function");

}

final public double Primary() throws ParseException, NumberFormatException {

  Token t ;

  double d ;

  switch ((jj_ntk==-1)?jj_ntk():jj_ntk) {

  case NUMBER:

    t = jj_consume_token(NUMBER);

    {if (true) return Double.parseDouble( t.image ) ;}

    break;

  case PREVIOUS:

    jj_consume_token(PREVIOUS);

    {if (true) return previousValue ;}

    break;

  case OPEN_PAR:

    jj_consume_token(OPEN_PAR);

    d = Expression();

    jj_consume_token(CLOSE_PAR);

    {if (true) return d ;}

    break;

  case MINUS:

    jj_consume_token(MINUS);

    d = Primary();

    {if (true) return -d ;}

    break;

  default:

    jj_la1[5] = jj_gen;

    jj_consume_token(-1);

    throw new ParseException();

  }

  throw new Error("Missing return statement in function");

}

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