如何实现全文检索功能之搜索之路

 引子

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时间回到20年前。

张大胖学校的图书馆网站上线了，张大胖去浏览了一番，发现竟然没有按照关键字搜索图书的功能，大为吃惊之余，又隐约觉得机会来了： 我刚学完Web开发，其中也有数据库相关的知识，也许我可以实现这个功能啊！

想到此处，张大胖赶紧查找联系方式，抱着试试看的态度给图书馆的管理员发了一封电子邮件，表达了能实现这个搜索功能的信心和决心。

没想到真的收到回信了，管理员王老师让他在周四的下午2点半到图书馆3楼307聊一聊。

周四下午，张大胖沐浴更衣以后，如约而至。 经过一番寒暄和介绍，王老师正式进入主题：你打算怎么实现这个全文检索功能啊？

张大胖说：“我可以用SQL的 Like来实现。”

王老师笑了：“数据量小的时候Like还凑合，数据量一大，效率就非常低了。”

张大胖有点蒙：“那怎么办？”

王老师说：“得用inverted index才行。”

张大胖知道什么是index， 但是从来没有听说过inverted index，这是什么鬼？

王老师看到他迷茫的脸色，就知道这小子虽然勇气可嘉，但是技术还是有所欠缺，鼓励到：“这样吧，你回去研究研究inverted index， 然后再来实现这个全文检索功能。”

Inverted Index

张大胖灰溜溜地回到宿舍，赶紧拨号上网去查这个inverted index。

张大胖发现有很多人把他翻译成倒排索引，听起来虽然有点古怪，但实际上是一个非常简单的概念。 比如说有两篇文档：

文档1的内容：A computer is a device that can execute operations

文档2的内容：Early computers are big devices

把这两篇文章中的单词都抽取出来，并且记录下这些单词出现在哪个文档中，这就形成了一个简单粗糙的倒排索引。

通过这个“倒排索引”，只要给出一个单词，就可以迅速地定位到它在哪个文档中。 用来做全文搜素非常合适。

但是上面的倒排索引有点“粗糙”，还可以在“精化”一下。

1. 对于 a, is , to ,that ,can ,the,are 这些词对搜索来说没什么意义，用户几乎不会用他们搜索，可以过滤掉。

2.  用户搜索的时候虽然输入了computer，但是也希望搜出computers出来，所以需要把复数单词，过去式单词等做还原。

3. 用户虽然输入了device , 但是也希望搜索出Device出来，所以需要把大写都改成小写。

经过这番转换，文档1和文档2的关键字变成了这样：

文档1：[computer] [device] [execute] [operation]

文档2：[early] [computer] [big] [device]

相应地，倒排索引变成了这样：

当用户想搜索device 的时候，我们就可以告诉它，在文档1和文档2中都有。

为了更好的统计和高亮显示搜索结果，还可以记录关键词在文章中出现的次数和位置（例如：是第几个单词）

架构

明白了inverted index是怎么回事儿， 张大胖觉得只要把那些书籍的标题，介绍，作者等信息给提取出来，形成inverted index，不就可以做关键字检索了吗？

可是转眼一想，这个需求应该是个通用的需求，不仅是图书馆有，很多互联网应用，例如网上商城也需要， 我完全可以设计一个类库出来，让大家去使用啊。

张大胖迅速画出一个架构图出来：

看看，不管你是什么类型的文档，HTML， PDF， Word，甚至是数据库的数据，只要能从中抽取出文本，就可以当作我的数据源，对文本做了分析以后，就可以存入索引库。

用户可以发出各种查询，不仅仅是单个关键字，还支持关键字的组合： keyword1 AND keyword2等，对索引库进行搜索以后，把结果返回给用户。

“中间用虚线框起来的部分就是我应该实现的类库！” 张大胖对这个架构很满意。

抽象

接下来就要考虑这个类库对外提供的API了，这是个很烦人的事情。 张大胖的脑海中不由地想起来好基友Bill的谆谆教导：“软件设计就是一个不断抽象的过程。”， 关键是要抽象啊！

可是这个系统似乎有点复杂，张大胖绞尽脑汁想了两天也没有头绪，对于一个刚学会Web开发的同学，立刻就要设计类库，确实是有点勉为其难。

没办法，张大胖只好致电Bill前来帮忙。

Bill对张大胖的痛苦表示了亲切的慰问， 又对架构图表示了适度的赞赏。 他说： “既然有HTML,PDF, Word文档， 很自然，你可以做一个Document的抽象！”

“好像不行吧？ 如果数据源是数据库，怎么变成Document？ ”

“很简单， 比如一行数据就可以映射到一个Document。 当然，这个转化必须得有程序员来完成。程序员决定什么东西是Document。” Bill说。

“Document中有什么东西？ ”

“嗯，Document可以有很多属性，每个属性都有名称和值， 我可以把属性叫做Field。比如一个HTML文档，可能有path, title，content等多个Field，其中path可以唯一地标志这个文档, title和content需要做进行分词，形成倒排索引，让用户搜索。” Bill回答。

（一个包含多个Field的Document）

“用户创建了Document和Field以后，就可以进行分析了原始的内容划分成一个个Term，” 张大胖开始开窍，“这样，我可以定义一个Analyzer的抽象类，让别的程序可以扩展它。”

“对，分析的结果可以加入索引库，这个操作可以让一个单独的类，比如IndexWriter类来完成。” Bill 说。

“可是IndexWriter如何知道索引应该存在什么地方？ 内存？ 文件系统？”

“那就再来一个抽象的概念：Directory，表示索引文件的存储。”

张大胖怕忘记，赶紧画类图：

“看起来还是挺漂亮的嘛！” 张大胖说。

“好的设计一般都比较漂亮。” Bill 来了一句至理名言。

“对于对于用户搜索来说，肯定得有个叫做Query的东西，用来表达用户的搜索要求。当然，这个Query也应该允许扩展。 ” 张大胖尝试着抽象。

“但是这些类使用起来还是比较麻烦， 最好是支持用户输入字符串来表达搜索的意图：(computer or phone) and price”  Bill还是经验老道，“必须得有个解析器来完成从字符串到Query的转化，然后我们让IndexSearcher 来接收Query，就可以实现搜索的功能了。 ”

张大胖很兴奋，一个复杂的系统，就这么被搞定了，虽然其中有很多细节没有覆盖，但大的方向已经确定， 细节在具体的开发中来处理吧。

他摩拳擦掌，准备大干一场，把这个设计给实现了。

可是Bill在网上搜索了一会儿，泼了一盆冷水：“大胖，好像有个叫做Lucene的开源系统，和我们的设计很像啊，功能更加强大，要不你就用它这个实现吧。”

张大胖赶紧跑到电脑前去看，果然，这个叫Lucene的家伙实现得非常完善，还有很多高级的功能，比如仅仅是“相似度”这个功能，非得对搜索有深入研究才行，自己是望尘莫及。

他叹了一口气说：“好吧，我去图书馆找王老师，就用这个Lucene吧！”

三年以后

张大胖已经变成了利用Lucene做搜索的高手，各种细节和最佳实践尽在掌握。随着互联网应用的爆炸式增长，搜索变成了一个常见的需求，他甚至在业余时间专门去给人做Lucene的咨询，赚了不少外快。

但是做得多了，张大胖也觉得很烦，这个Lucene用起来实在是太“低级”，很多人向他抱怨： 我就想搜索一下我的商品描述，现在还得理解什么“Directory”,"Analyzer","Query"，实在是太复杂了！ 还有我们的数据越来越多，索引也越来占的空间也越来越大，怎么才能实现分布式的存储啊？

这样的抱怨听多了，张大胖心想：是时候对Lucene做一层封装，提供一个简单的API了......

后记：接下来还可以讲一下Elastic Search ，也不知道大家是否感兴趣，再加上这篇文章已经很长了，就停笔了。 如果各位感兴趣的，留言告诉我一下，我会继续写下去。

【本文为专栏作者“刘欣”的原创稿件，转载请通过作者微信公众号coderising获取授权】

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