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倒排索引（反向索引）

article 2024/9/23 13:55:17

倒排索引（Inverted Index）是搜索引擎和数据库管理系统中常用的一种数据结构，用于快速检索文档集合中的文档。在全文搜索场景中，倒排索引是一种非常高效的手段，因为它能够快速定位到包含特定关键词的所有文档。

1、基本概念

正向索引：在传统的文档存储中，文档是按其ID或创建时间等属性组织的。如果通过这种方式来查找包含特定关键词的所有文档，则效率较低。
倒排索引：与正向索引相反，倒排索引是以“词到文档”的方式存储数据，即对于每个出现在文档中的词，记录下包含该词的所有文档的列表。这使得查询某个词出现在哪些文档中变得非常高效。

2、倒排索引的组成

词典（Dictionary）：包含了所有唯一词汇的列表。
倒排列表（Posting List）：对于词典中的每个词条，倒排列表记录了包含该词条的所有文档的ID（Document ID），以及在这些文档中的位置信息。

例如，我们有以下文档：

Doc1: "I love programming"
Doc2: "Programming is fun"
Doc3: "I love to program"

那么，基于这三个文档构建的倒排索引可能如下所示：

词条	倒排列表
I	[Doc1, Doc3]
love	[Doc1, Doc3]
programming	[Doc1, Doc2]
is	[Doc2]
fun	[Doc2]
to	[Doc3]
program	[Doc3]

3、工作原理

构建索引（分词）：首先分析文档集合，提取出每个文档中的所有单词，并为这些单词建立索引。每个单词都对应一个文档列表（称为倒排列表），列表中包含该单词在各个文档中的位置信息。
存储：将构建好的倒排索引存储起来，通常会进行优化以减少存储空间并加快检索速度，比如使用压缩技术或者分级存储策略。
查询处理：当用户输入查询词时，系统会在倒排索引中查找对应的文档列表，并根据一定的排序规则返回结果给用户。排序规则可能包括相关性评分、文档排名等因素。

4、应用场景

搜索引擎：Google、Bing等搜索引擎使用倒排索引来加速对网页内容的搜索。
数据库：某些数据库管理系统也会使用类似的概念来提高查询性能。
自然语言处理：在文本挖掘、信息检索等领域也有广泛应用。

5、在Elasticsearch中的应用

在Elasticsearch中，倒排索引的概念被广泛应用于全文搜索功能。Elasticsearch内部自动为文本字段构建倒排索引，以便于高效地处理搜索请求。

5.1 Elasticsearch中的倒排索引特点

分词器（Analyzer）：Elasticsearch允许用户配置不同的分析器来对文本进行分词和标准化处理，从而影响倒排索引的构建。ik_max_word分词器: 最细粒度拆分，ik_smart分词器: 粗粒度的拆分
动态映射：Elasticsearch可以根据索引的数据动态地生成映射，确定哪些字段应该被索引。
索引优化：Elasticsearch会定期合并小文件，减少磁盘碎片，提高搜索性能。
搜索增强：Elasticsearch支持多种搜索方式，比如前缀搜索、模糊搜索等，这些都是基于倒排索引来实现的。

5.2 创建倒排索引的例子

在Elasticsearch中，可以通过定义字段的analyzer属性来指定如何对文本进行分析，从而决定倒排索引的具体构建方式。例如，使用ik_max_word分析器来进行中文分词：

PUT /shop
{
  "settings": {
    "analysis": {
      "analyzer": {
        "my_analyzer": {
            "type": "ik_max_word"
        }
      }
    }
  },
  "mappings": {
    "properties": {
      "title": {
        "type": "text",
        "analyzer": "my_analyzer"
      },
      "content": {
        "type": "text",
        "analyzer": "my_analyzer"
      },
      "price": {
        "type": "float"
      },
      "stock": {
        "type": "integer"
      }
    }
  }
}