【Lucene】单个cpu 每秒能支持多少个bm25公式的计算

BM25（Best Matching 25）是一个常用于信息检索中的排名函数，它基于词频（TF）和逆文档频率（IDF）计算文档与查询之间的相关性。对于单个CPU能够每秒支持多少次BM25计算，影响因素有很多，比如CPU的性能（如时钟频率、核心数）、BM25公式的计算复杂度、数据大小、查询和文档的长度等。

一般来说，BM25的计算复杂度主要依赖于以下几个因素：

1. 查询的长度（包含的词数）
2. 文档的长度（包含的词数）
3. 反向索引的查找速度，即是否需要查找每个查询词在文档集合中的频率（或逆文档频率）
4. 硬件配置，尤其是CPU的性能

如果假设每个查询只包含一个关键词，文档的长度适中，并且系统已经建立了优化的索引，单个BM25计算的时间一般来说在几十微秒到几毫秒之间。在这种情况下，单核CPU每秒可以支持的BM25计算次数大约在10,000到100,000次之间，具体取决于硬件和实现的优化程度。

如果文档和查询更复杂，或者你需要处理大量数据、长查询等，BM25的计算时间可能会增加，这会影响每秒的计算次数。为了提高性能，通常会使用并行计算（多核CPU、分布式计算等）和优化算法（如倒排索引、缓存、批处理等）。

要进行BM25公式的压测，可以通过一个简单的demo来评估每秒能支持多少次计算。假设我们已经有了一个包含多个文档的倒排索引，并且你需要通过查询来计算每个文档的BM25得分。以下是一个基于Python的压测demo，使用time库来衡量性能。

1. 准备BM25计算代码

import math
import time
import random
from collections import Counter

# 示例倒排索引（文档ID -> 词频映射）
index = {
    1: {'apple': 3, 'banana': 2, 'orange': 1},
    2: {'apple': 1, 'banana': 3, 'grape': 2},
    3: {'orange': 2, 'grape': 3, 'banana': 1},
}

# IDF计算：假设文档总数为3，计算每个词的IDF
def compute_idf(index, total_docs):
    idf = {}
    # 计算每个词出现在多少个文档中
    doc_freq = Counter()
    for doc_id, doc in index.items():
        for word in doc:
            doc_freq[word] += 1
    
    # 计算IDF值
    for word, freq in doc_freq.items():
        idf[word] = math.log((total_docs - freq + 0.5) / (freq + 0.5) + 1.0)
    
    return idf

# BM25计算公式
def bm25_score(query, doc, idf, k1=1.5, b=0.75):
    score = 0.0
    doc_length = sum(doc.values())
    avg_doc_length = sum(sum(doc.values()) for doc in index.values()) / len(index)

    for term in query:
        if term in doc:
            tf = doc[term]
            idf_score = idf.get(term, 0)
            score += idf_score * (tf * (k1 + 1)) / (tf + k1 * (1 - b + b * doc_length / avg_doc_length))
    
    return score

# 示例查询
query = ['apple', 'banana']

# 总文档数量
total_docs = len(index)

# 计算IDF
idf = compute_idf(index, total_docs)

# 压测BM25
def benchmark_bm25(index, query, idf, iterations=10000):
    start_time = time.time()
    
    for _ in range(iterations):
        random_doc_id = random.choice(list(index.keys()))
        doc = index[random_doc_id]
        bm25_score(query, doc, idf)
    
    end_time = time.time()
    duration = end_time - start_time
    return duration

# 测试
iterations = 10000  # 压测次数
duration = benchmark_bm25(index, query, idf, iterations)
print(f"Processed {iterations} queries in {duration:.2f} seconds.")
print(f"BM25 queries per second: {iterations / duration:.2f}")

2. 解释

• 倒排索引 (index)：这是一个简单的字典，其中键是文档ID，值是一个字典，表示文档中每个词的词频。
• IDF计算 (compute_idf)：通过倒排索引计算每个词的逆文档频率（IDF）。这里使用的是标准的IDF公式：
  $$\text{IDF}(w)=\log \left(\frac{N-\text{df}(w)+0.5}{\text{df}(w)+0.5}+1.0\right)$$
  其中，N是文档总数，df(w)是包含词w的文档数量。
• BM25得分计算 (bm25_score)：根据BM25公式计算查询和文档的相关性得分。参数k1和b是BM25的超参数。
• 压测函数 (benchmark_bm25)：通过随机选择文档，针对给定的查询计算BM25得分，并通过time.time()来测量计算所需的时间。

3. 输出

程序会输出如下结果：

• 处理指定次数的BM25查询的总时间。
• 每秒处理的BM25查询次数。

例如：

Processed 10000 queries in 0.65 seconds.
BM25 queries per second: 15384.62

4. 改进与优化

• 并行计算：如果需要更高的吞吐量，可以考虑在多核CPU上并行处理查询，或者使用GPU加速。
• 数据集优化：对于大规模数据集，可以利用更高效的倒排索引结构（如Lucene、Elasticsearch等）来加速查询。

通过上述方法，你可以大致了解单个CPU在特定硬件和查询场景下的BM25计算性能。