Spring Boot中集成Lucence

Posted 2022-10-28

Lucence 和全文检索

Lucene概念

全文检索

这里提到了全文检索的概念，我们先来分析一下什么是全文检索，理解了全文检索之后，再理解 Lucene 的原理就非常简单了。

何为全文检索？举个例子，比如现在要在一个文件中查找某个字符串，最直接的想法就是从头开始检索，查到了就OK，这种对于小数据量的文件来说，很实用，但是对于大数据量的文件来说，就有点吃力了。或者说找包含某个字符串的文件，也是这样，如果在一个拥有几十个 G 的硬盘中找那效率可想而知，是很低的。

文件中的数据是属于非结构化数据，也就是说它没有什么结构可言，要解决上面提到的效率问题，首先我们得将非结构化数据中的一部分信息提取出来，重新组织，使其变得有一定结构，然后对这些有一定结构的数据进行搜索，从而达到搜索相对较快的目的。这就叫全文搜索。即先建立索引，再对索引进行搜索的过程。

Lucene 建立索引的方式

那么 Lucene 中是如何建立索引的呢？假设现在有两篇文章，内容如下：

首先第一步是将文档传给分词组件（Tokenizer），分词组件会将文档分成一个个单词，并去除标点符号和停词。所谓的停词指的是没有特别意义的词，比如英文中的 a，the，too 等。经过分词后，得到词元（Token） 。如下：

然后将词元传给语言处理组件（Linguistic Processor），对于英语，语言处理组件一般会将字母变为小写，将单词缩减为词根形式，如 ”lives” 到 ”live” 等，将单词转变为词根形式，如 ”drove” 到 ”drive” 等。然后得到词（Term）。如下：

最后将得到的词传给索引组件（Indexer），索引组件经过处理，得到下面的索引结构：

关键词	文章号[出现频率]	出现位置
guangzhou	1[2]	3,6
he	2[1]	1
i	1[1]	4
live	1[2],2[1]	2,5,2
shanghai	2[1]	3
tom	1[1]	1

以上就是Lucene 索引结构中最核心的部分。它的关键字是按字符顺序排列的，因此 Lucene 可以用二元搜索算法快速定位关键词。实现时 Lucene 将上面三列分别作为词典文件（Term Dictionary）、频率文件（frequencies）和位置文件（positions）保存。其中词典文件不仅保存有每个关键词，还保留了指向频率文件和位置文件的指针，通过指针可以找到该关键字的频率信息和位置信息。 搜索的过程是先对词典二元查找、找到该词，通过指向频率文件的指针读出所有文章号，然后返回结果，然后就可以在具体的文章中根据出现位置找到该词了。所以 Lucene 在第一次建立索引的时候可能会比较慢，但是以后就不需要每次都建立索引了，就快了。

理解了 Lucene 的分词原理，接下来我们在 Spring Boot 中集成 Lucene 并实现索引和搜索的功能。

Spring Boot 中集成 Lucence

依赖导入

首先需要导入 Lucene 的依赖，它的依赖有好几个，如下：

<!-- Lucence核心包 -->
<dependency>
	<groupId>org.apache.lucene</groupId>
	<artifactId>lucene-core</artifactId>
	<version>5.3.1</version>
</dependency>

<!-- Lucene查询解析包 -->
<dependency>
	<groupId>org.apache.lucene</groupId>
	<artifactId>lucene-queryparser</artifactId>
	<version>5.3.1</version>
</dependency>

<!-- 常规的分词（英文） -->
<dependency>
	<groupId>org.apache.lucene</groupId>
	<artifactId>lucene-analyzers-common</artifactId>
	<version>5.3.1</version>
</dependency>

<!--支持分词高亮  -->
<dependency>
	<groupId>org.apache.lucene</groupId>
	<artifactId>lucene-highlighter</artifactId>
	<version>5.3.1</version>
</dependency>

<!--支持中文分词  -->
<dependency>
	<groupId>org.apache.lucene</groupId>
	<artifactId>lucene-analyzers-smartcn</artifactId>
	<version>5.3.1</version>
</dependency>

最后一个依赖是用来支持中文分词的，因为默认是支持英文的。那个高亮的分词依赖是最后我要做一个搜索，然后将搜到的内容高亮显示，模拟当前互联网上的做法，大家可以运用到实际项目中去。

快速入门

根据上文的分析，全文检索有两个步骤，先建立索引，再检索。所以为了测试这个过程，我新建两个 java 类，一个用来建立索引的，另一个用来检索。

建立索引

我们自己弄几个文件，放到 D:\\lucene\\data 目录下，新建一个 Indexer 类来实现建立索引功能。首先在构造方法中初始化标准分词器和写索引实例。

public class Indexer 

    /**
     * 写索引实例
     */
    private IndexWriter writer;

    /**
     * 构造方法，实例化IndexWriter
     * @param indexDir
     * @throws Exception
     */
    public Indexer(String indexDir) throws Exception 
        Directory dir = FSDirectory.open(Paths.get(indexDir));
        //标准分词器，会自动去掉空格啊，is a the等单词
        Analyzer analyzer = new StandardAnalyzer();
        //将标准分词器配到写索引的配置中
        IndexWriterConfig config = new IndexWriterConfig(analyzer);
        //实例化写索引对象
        writer = new IndexWriter(dir, config);
    

在构造放发中传一个存放索引的文件夹路径，然后构建标准分词器（这是英文的），再使用标准分词器来实例化写索引对象。接下来就开始建立索引了，我将解释放到代码注释里，方便大家跟进。

/**
 * 索引指定目录下的所有文件
 * @param dataDir
 * @return
 * @throws Exception
 */
public int indexAll(String dataDir) throws Exception 
    // 获取该路径下的所有文件
    File[] files = new File(dataDir).listFiles();
    if (null != files) 
        for (File file : files) 
            //调用下面的indexFile方法，对每个文件进行索引
            indexFile(file);
        
    
    //返回索引的文件数
    return writer.numDocs();


/**
 * 索引指定的文件
 * @param file
 * @throws Exception
 */
private void indexFile(File file) throws Exception 
    System.out.println("索引文件的路径：" + file.getCanonicalPath());
    //调用下面的getDocument方法，获取该文件的document
    Document doc = getDocument(file);
    //将doc添加到索引中
    writer.addDocument(doc);


/**
 * 获取文档，文档里再设置每个字段，就类似于数据库中的一行记录
 * @param file
 * @return
 * @throws Exception
 */
private Document getDocument(File file) throws Exception 
    Document doc = new Document();
    //开始添加字段
    //添加内容
    doc.add(new TextField("contents", new FileReader(file)));
    //添加文件名，并把这个字段存到索引文件里
    doc.add(new TextField("fileName", file.getName(), Field.Store.YES));
    //添加文件路径
    doc.add(new TextField("fullPath", file.getCanonicalPath(), Field.Store.YES));
    return doc;

这样就建立好索引了，我们在该类中写一个 main 方法测试一下：

public static void main(String[] args) 
        //索引保存到的路径
        String indexDir = "D:\\\\lucene";
        //需要索引的文件数据存放的目录
        String dataDir = "D:\\\\lucene\\\\data";
        Indexer indexer = null;
        int indexedNum = 0;
        //记录索引开始时间
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        try 
            // 开始构建索引
            indexer = new Indexer(indexDir);
            indexedNum = indexer.indexAll(dataDir);
         catch (Exception e) 
            e.printStackTrace();
         finally 
            try 
                if (null != indexer) 
                    indexer.close();
                
             catch (Exception e) 
                e.printStackTrace();
            
        
        //记录索引结束时间
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("索引耗时" + (endTime - startTime) + "毫秒");
        System.out.println("共索引了" + indexedNum + "个文件");
    

我搞了两个 tomcat 相关的文件放到 D:\\lucene\\data 下了，执行完之后，看到控制台输出：

索引文件的路径：D:\\lucene\\data\\catalina.properties
索引文件的路径：D:\\lucene\\data\\logging.properties
索引耗时882毫秒
共索引了2个文件

然后我们去 D:\\lucene\\ 目录下可以看到一些索引文件，这些文件不能删除，删除了就需要重新构建索引，否则没了索引，就无法去检索内容了。

检索内容

上面把这两个文件的索引建立好了，接下来我们就可以写检索程序了，在这两个文件中查找特定的词。

public class Searcher 

    public static void search(String indexDir, String q) throws Exception 

        //获取要查询的路径，也就是索引所在的位置
        Directory dir = FSDirectory.open(Paths.get(indexDir));
        IndexReader reader = DirectoryReader.open(dir);
        //构建IndexSearcher
        IndexSearcher searcher = new IndexSearcher(reader);
        //标准分词器，会自动去掉空格啊，is a the等单词
        Analyzer analyzer = new StandardAnalyzer();
        //查询解析器
        QueryParser parser = new QueryParser("contents", analyzer);
        //通过解析要查询的String，获取查询对象，q为传进来的待查的字符串
        Query query = parser.parse(q);

        //记录索引开始时间
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        //开始查询，查询前10条数据，将记录保存在docs中
        TopDocs docs = searcher.search(query, 10);
        //记录索引结束时间
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("匹配" + q + "共耗时" + (endTime-startTime) + "毫秒");
        System.out.println("查询到" + docs.totalHits + "条记录");

        //取出每条查询结果
        for(ScoreDoc scoreDoc : docs.scoreDocs) 
            //scoreDoc.doc相当于docID,根据这个docID来获取文档
            Document doc = searcher.doc(scoreDoc.doc);
            //fullPath是刚刚建立索引的时候我们定义的一个字段，表示路径。也可以取其他的内容，只要我们在建立索引时有定义即可。
            System.out.println(doc.get("fullPath"));
        
        reader.close();
    

ok，这样我们检索的代码就写完了，每一步解释我写在代码中的注释上了，下面写个 main 方法来测试一下：

public static void main(String[] args) 
    String indexDir = "D:\\\\lucene";
    //查询这个字符串
    String q = "security";
    try 
        search(indexDir, q);
     catch (Exception e) 
        e.printStackTrace();
    

查一下 security 这个字符串，执行一下看控制台打印的结果：

匹配security共耗时23毫秒
查询到1条记录
D:\\lucene\\data\\catalina.properties

可以看出，耗时了23毫秒在两个文件中找到了 security 这个字符串，并输出了文件的名称。上面的代码我写的很详细，这个代码已经比较全了，可以用在生产环境上。

中文分词检索高亮实战

上文已经写了建立索引和检索的代码，但是在实际项目中，我们往往是结合页面做一些查询结果的展示，比如我要查某个关键字，查到了之后，将相关的信息点展示出来，并将查询的关键字高亮等等。这种需求在实际项目中非常常见，而且大多数网站中都会有这种效果。所以这一小节我们就使用 Lucene 来实现这种效果。

中文分词

我们新建一个 ChineseIndexer 类来建立中文索引，建立过程和英文索引一样的，不同的地方在于使用的是中文分词器。除此之外，这里我们不用通过读取文件去建立索引，我们模拟一下用字符串来建立，因为在实际项目中，绝大部分情况是获取到一些文本字符串，然后根据一些关键字去查询相关内容等等。代码如下：

public class ChineseIndexer 

    /**
     * 存放索引的位置
     */
    private Directory dir;

    //准备一下用来测试的数据
    //用来标识文档
    private Integer ids[] = 1, 2, 3;
    private String citys[] = "上海", "南京", "青岛";
    private String descs[] = 
            "上海是个繁华的城市。",
            "南京是一个文化的城市南京，简称宁，是江苏省会，地处中国东部地区，长江下游，濒江近海。全市下辖11个区，总面积6597平方公里，2013年建成区面积752.83平方公里，常住人口818.78万，其中城镇人口659.1万人。[1-4] “江南佳丽地，金陵帝王州”，南京拥有着6000多年文明史、近2600年建城史和近500年的建都史，是中国四大古都之一，有“六朝古都”、“十朝都会”之称，是中华文明的重要发祥地，历史上曾数次庇佑华夏之正朔，长期是中国南方的政治、经济、文化中心，拥有厚重的文化底蕴和丰富的历史遗存。[5-7] 南京是国家重要的科教中心，自古以来就是一座崇文重教的城市，有“天下文枢”、“东南第一学”的美誉。截至2013年，南京有高等院校75所，其中211高校8所，仅次于北京上海；国家重点实验室25所、国家重点学科169个、两院院士83人，均居中国第三。[8-10] 。",
            "青岛是一个美丽的城市。"
    ;

    /**
     * 生成索引
     * @param indexDir
     * @throws Exception
     */
    public void index(String indexDir) throws Exception 
        dir = FSDirectory.open(Paths.get(indexDir));
        // 先调用 getWriter 获取IndexWriter对象
        IndexWriter writer = getWriter();
        for(int i = 0; i < ids.length; i++) 
            Document doc = new Document();
            // 把上面的数据都生成索引，分别用id、city和desc来标识
            doc.add(new IntField("id", ids[i], Field.Store.YES));
            doc.add(new StringField("city", citys[i], Field.Store.YES));
            doc.add(new TextField("desc", descs[i], Field.Store.YES));
            //添加文档
            writer.addDocument(doc);
        
        //close了才真正写到文档中
        writer.close();
    

    /**
     * 获取IndexWriter实例
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private IndexWriter getWriter() throws Exception 
        //使用中文分词器
        SmartChineseAnalyzer analyzer = new SmartChineseAnalyzer();
        //将中文分词器配到写索引的配置中
        IndexWriterConfig config = new IndexWriterConfig(analyzer);
        //实例化写索引对象
        IndexWriter writer = new IndexWriter(dir, config);
        return writer;
    

    public static void main(String[] args) throws Exception 
        new ChineseIndexer().index("D:\\\\lucene2");
    

这里我们用 id、city、desc 分别代表 id、城市名称和城市描述，用他们作为关键字来建立索引，后面我们获取内容的时候，主要来获取城市描述。南京的描述我故意写的长一点，因为下文检索的时候，根据不同的关键字会检索到不同部分的信息，有个权重的概念在里面。 然后执行一下 main 方法，将索引保存到 D:\\lucene2\\ 中。

中文分词查询

中文分词查询代码逻辑和默认的查询差不多，有一些区别在于，我们需要将查询出来的关键字标红加粗等需要处理，需要计算出一个得分片段，这是什么意思呢？比如我搜索 “南京文化” 跟搜索 “南京文明”，这两个搜索结果应该根据关键字出现的位置，返回的结果不一样才对，这在下文会测试。我们先看一下代码和注释：

public class ChineseSearch 

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ChineseSearch.class);

    public static List<String> search(String indexDir, String q) throws Exception 

        //获取要查询的路径，也就是索引所在的位置
        Directory dir = FSDirectory.open(Paths.get(indexDir));
        IndexReader reader = DirectoryReader.open(dir);
        IndexSearcher searcher = new IndexSearcher(reader);
        //使用中文分词器
        SmartChineseAnalyzer analyzer = new SmartChineseAnalyzer();
        //由中文分词器初始化查询解析器
        QueryParser parser = new QueryParser("desc", analyzer);
        //通过解析要查询的String，获取查询对象
        Query query = parser.parse(q);

        //记录索引开始时间
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        //开始查询，查询前10条数据，将记录保存在docs中
        TopDocs docs = searcher.search(query, 10);
        //记录索引结束时间
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        logger.info("匹配共耗时毫秒", q, (endTime - startTime));
        logger.info("查询到条记录", docs.totalHits);

        //如果不指定参数的话，默认是加粗，即<b><b/>
        SimplehtmlFormatter simpleHTMLFormatter = new SimpleHTMLFormatter("<b><font color=red>","</font></b>");
        //根据查询对象计算得分，会初始化一个查询结果最高的得分
        QueryScorer scorer = new QueryScorer(query);
        //根据这个得分计算出一个片段
        Fragmenter fragmenter = new SimpleSpanFragmenter(scorer);
        //将这个片段中的关键字用上面初始化好的高亮格式高亮
        Highlighter highlighter = new Highlighter(simpleHTMLFormatter, scorer);
        //设置一下要显示的片段
        highlighter.setTextFragmenter(fragmenter);

        //取出每条查询结果
        List<String> list = new ArrayList<>();
        for(ScoreDoc scoreDoc : docs.scoreDocs) 
            //scoreDoc.doc相当于docID,根据这个docID来获取文档
            Document doc = searcher.doc(scoreDoc.doc);
            logger.info("city:", doc.get("city"));
            logger.info("desc:", doc.get("desc"));
            String desc = doc.get("desc");

            //显示高亮
            if(desc != null) 
                TokenStream tokenStream = analyzer.tokenStream("desc", new StringReader(desc));
                String summary = highlighter.getBestFragment(tokenStream, desc);
                logger.info("高亮后的desc:", summary);
                list.add(summary);
            
        
        reader.close();
        return list;
    

每一步的注释我写的很详细，在这就不赘述了。接下来我们来测试一下效果。

测试

这里我们使用 thymeleaf 来写个简单的页面来展示获取到的数据，并高亮展示。在 controller 中我们指定索引的目录和需要查询的字符串，如下：

@Controller
@RequestMapping("/lucene")
public class IndexController 

    @GetMapping("/test")
    public String test(Model model) 
        // 索引所在的目录
        String indexDir = "D:\\\\lucene2";
        // 要查询的字符
//        String q = "南京文明";
        String q = "南京文化";
        try 
            List<String> list = ChineseSearch.search(indexDir, q);
            model.addAttribute("list", list);
         catch (Exception e) 
            e.printStackTrace();
        
        return "result";
    

直接返回到 result.html 页面，该页面主要来展示一下 model 中的数据即可。

<!DOCTYPE html>
<html lang="en" xmlns:th="http://www.thymeleaf.org">
<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <title>Title</title>
</head>
<body>
<div th:each="desc : $list">
    <div th:utext="$desc"></div>
</div>
</body>
</html>

这里注意一下，不能使用 th:test，否则字符串中的 html 标签都会被转义，不会被渲染到页面。下面启动服务，在浏览器中输入 http://localhost:8080/lucene/test，测试一下效果，我们搜索的是 “南京文化”。

再将 controller 中的搜索关键字改成 “南京文明”，看下命中的效果。

可以看出，不同的关键词，它会计算一个得分片段，也就是说不同的关键字会命中不同位置的内容，然后将关键字根据我们自己设定的形式高亮显示。从结果中可以看出，Lucene 也可以很智能的将关键字拆分命中，这在实际项目中会很好用。