Lucene Payload 的研究与应用<一>

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级别： 初级

杨 筱强 ([e-mail]), 软件工程师, IBM
马 蕤 ([e-mail]), 软件工程师, IBM
赵 胜 ([e-mail]), WebSphere Information Integrator部门经理, IBM中国软件开发中心


2008 年 11 月 06 日

Payload (元数据) 诞生于 Lucene 的2.2 版本，它是在 Lucene 2.1 索引文件格式的基础上扩展而来，提供了一种可以灵活配置的高级索引技术，在某些特定应用场景下能优化基于 Lucene 构建的应用的搜索性能。本文重点研究了 Payload 的实现原理、索引结构的变化、接口 API ，在本文的最后举例说明了 Payload 是如何帮助改善搜索体验的。
Lucene 是最初是由 Douglass R. Cutting 博士发布在自己主页上的一个 Java 全文信息检索工具包，后来成为 Apache Jakarta 家族中的一个开源项目，目前已经成为 Apache 基金会的顶级项目。索引是现代搜索引擎的核心，建立索引的过程就是把源数据处理成方便查询的索引文件的过程。 Lucene 采用的是一种被称为倒排索引 (Inverted Index) 的机制，倒排索引也是大多现代搜索引擎的基础。

Payload (元数据) 诞生于 Lucene 的2.2 版本，它是在 Lucene 2.1 索引文件格式的基础上扩展而来，提供了一种可以灵活配置的高级索引技术。本文重点研究了 Payload 的实现原理、索引结构的变化、接口 API ，在本文的最后举例说明了 Payload 是如何帮助改善搜索体验的。

Payload 的出现

倒排索引就是说我们维护了一个词条表，对于这个表中的每个词条，都有一个链表描述了有哪些文档包含了这个词条。假定我们有三篇文档 D0，D1，D2：

D0 = "it is what it is"
D1 = "what is it"
D2 = "it is a banana"



那么，我们可以创建如下倒排索引结构：

Term      Posting-list
"a":      {2}
"banana": {2}
"is":     {0, 1, 2}
"it":     {0, 1, 2}
"what":   {0, 1}



一般情况下，将一个词条所索引的文档（一般用文档编号表示）称之为 Posting，那么一个词条索引的多个文档就称之为 Posting-list。除了在 Posting-list 中记录文档编号，Lucene 也在Posting-list 中添加了词频和位置信息。词频的添加有助于结果的排序，位置信息的添加解决了短语检索的问题。

在Lucene 2.1 中，记录位置信息的即 .prx 文件，它的格式如下：

ProxFile (.prx) --> <TermPositions> TermCount
TermPositions --> <Positions> DocFreq
Positions --> <PositionDelta> Freq
PositionDelta --> VInt



仔细观察我们可以发现，文档 D0 中 what 词条是加粗显示而文档 D1 中的 what 则没有。显然，Lucene 2.1 的索引结构是无法表示出两者的差异。为了解决这个问题，从 Lucene2.2 开始，引入了 Payload 的概念。 Payload 即词条 (Term) 的元数据或称载荷， Lucene 支持用户在索引的过程中将词条的元数据添加的索引库中，同时也提供了在检索结果时读取 Payload 信息的功能。Payload 的诞生为用户提供了一种可灵活配置的高级索引技术，为支持更加丰富的搜索体验创造了条件。

那么 Lucene 是如何改进索引文件以支持 Payload 功能的呢？






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索引结构的变化

为了更加形象的描述改进后的索引结构，我们用不同的颜色表示出文档 ID ，词频，位置和 Payload，如图 1 所示，（U表示下划线，B表示粗体）


图 1：Lucene的索引结构


对比 Lucene2.1 的索引结构，Lucene2.2 的索引结构的表达式如下：

ProxFile (.prx) --> <TermPositions> TermCount
TermPositions --> <Positions> DocFreq
Positions --> <PositionDelta,Payload?> Freq
Payload --> <PayloadLength?,PayloadData>
PositionDelta --> VInt
PayloadLength --> VInt
PayloadData --> bytePayloadLength



从上面的索引表达式中可以看出只有当一个词汇包含 Payload 信息时，Lucene 才会为之分配相应的 Payload 存储空间，这是一种高效率的空间实现。Lucene2.2 之后的 Payload 特指词条的元数据，那么文档的元数据如何表示呢?

我们知道，Lucene 中 Document 由 Field 组成，而 Field 由 Term 组成，文档的 Payload 可以用存储的 Field 表示。这样存在的问题是，如果需要读取大量的文档的元数据，因为 Field 的索引信息与存储信息是分开的，那么 I/O 效率将是较差的。而 Payload 信息则是直接存储在索引中，因此可以利用词条的 Payload 功能存储文档级别的元数据。文档级 Payload 可表示为如下图2所示格式（省略了词频和位置信息）：


图 2：文档级的 Payload 表示


如图2所示，以文档的 url 信息为例，通过为每一个文档构造一个特殊的词条 ”url” ，将每个文档的 ur l值作为 payload 信息，把 Payload 与文档编号关联起来，这样就可以实现文档级的 Payload。






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Payload 相关的 API

从 Lucene2.2 的索引结构可以看出，Payload 的存储与词条的位置信息是紧密联系在一起的，因此 Payload 的存储和检索 API 位于Token类和 TermPositions 类当中。

向词条中存储 Payload 信息

org.apache.lucene.analysis.Token
void setPayload(Payload payload)



Payload 信息的构造函数

org.apache.lucene.index.Payload
Payload(byte[] data)

Payload(byte[] data,
        int offset,
        int length)



从位置信息中检索 Payload

org.apache.lucene.index.TermPositions
boolean next();
int doc()
int freq();

int nextPosition();

int getPayloadLength();
byte[] getPayload(byte[] data,
                  int offset)







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Payload 的应用场景举例

场景一：改进的 Lucene 的区间检索

日期检索是区间检索的常见例子，如用户需要在图书馆中检索特定年代的图书，满足如下条件：

Date>1954/08/01 & Date<1955/08/01



常见的做法就是将日期作为一个独立 Field 进行存储，利用 RangeQuery 进行区间检索，Posting-list 的格式如图3中左图所示。如果图书日期分布区间很广，用 Field 存储日期信息，我们需要将日期细化到年月日进行存储，因此词条数目是非常庞大的。这种情况下，我们可以利用 Payload 功能来减少词条的数目，提高检索效率，可以将日期的年月作为词条，日作为 Payload 信息，这几乎将词条数目减小了近 30 倍，改进后的存储结构如图3右图所示：


图 3：使用 Payload 存储日期信息


场景二：提高特定词汇的评分

利用 Payload 功能，还可以提高文档中特定词汇的评分，如黑体词汇、斜体词汇等，从而优化搜索结果排序。

下面还以文档 D0 和 D1 为例说明如何设置和检索 Payload。

D0 = "it is what it is"
D1 = "what is it"



Step1：在 Analyzer 处理过程中，为特殊词汇添加评分 Payload

final byte BoldBoost = 5;

final byte ItalicBoost = 5;
…
Token token = new Token(…);
…
if (isBold) {//如果是黑体字
  token.setPayload(
    new Payload(new byte[] {BoldBoost}));
}else if（isItalic）{//如果是斜体字
  token.setPayload(
    new Payload(new byte[] { ItalicBoost }));
}
…
return token;



Step2：重写 Similarity （主要负责排名和评分）

Similarity boostingSimilarity =
  new DefaultSimilarity() {
    // @override
    public float scorePayload(byte [] payload,
                              int offset,
                              int length) {

      //读取payload的值，payload存储的即为词汇的评分。
      if (length == 1) return payload[offset];
    };



Step3：使用重写的 boostingSimilarity 进行检索

Query btq = new BoostingTermQuery(
                new Term(“field”, “what”));



Searcher searcher = new IndexSearcher(…);
Searcher.setSimilarity(boostingSimilarity);
…
Hits hits = searcher.search(btq);