Lucene实现索引和查询的实例讲解
0引言
随着万维网的发展和大数据时代的到来，每天都有大量的数字化信息在生产、存储、传递和转化，如何从大量的信息中以一定的方式找到满足自己需求的信息，使之有序化并加以利用成为一大难题。全文检索技术是现如今最普遍的信息查询应用，生活中利用搜索引擎，在博客论坛中查找信息，这些搜索的核心原理就是本文要实现的全文检索技术。随着文档信息数字化的实现，将信息有效存储并及时准确的提取是每一个公司、企业和单位要做好的基础。针对英文的全文检索已经有很多成熟的理论和方法，开放源代码的全文检索引擎lucene 是apache 软件基金会jakarta 项目组的一个子项目，它的目的是为软件开发人员提供一个简单易用的工具包，方便在目标系统中实现全文检索的功能。lucene不支持中文，但是目前已有很多开源的中文分词器可以对中文内容进行索引，本文在研究lucene核心原理的基础上，分别实现了对中英文网页的爬取和检索。
1 lucene介绍
1.1 lucene简介
lucene是一个用java写的全文检索引擎工具包，实现构造了索引和搜索两大核心功能，并且两者相互独立，这使得开发人员可以方便扩展，lucene提供了丰富的api , 可以与存储在索引中的信息方便的交互。需要说明的是它并不是一个完整的全文检索应用, 而是为应用程序提供索引和搜索功能。即若想让lucene 真正起作用, 还需在其基础上做一些必要的二次开发。
lucene的结构设计与数据库的设计较为相似，但lucene的索引与数据库有着极大的不同。数据库和lucene建立索引都是为了查找方便，但是数据库仅仅针对部分字段进行建立，且需要把数据转化为格式化信息，并予以保存。而全文检索是将全部信息按照一定方式进行索引。两种检索的不同和相似如表1-1所示。
表1-1：数据库检索与lucene检索对比
|
比较项 |
lucene检索 |
数据库检索 |
|
数据检索 |
从lucene的索引文件中检出 |
由数据库索引检索记录 |
|
索引结构 |
document（文档） |
record（记录） |
|
查询结果 |
hit：满足关系的文档组成 |
查询结果集：包含关键字的记录组成 |
|
全文检索 |
支持 |
不支持 |
|
模糊查询 |
支持 |
不支持 |
|
结果排序 |
设置权重，进行相关性排序 |
不能排序 |
1.2 lucene总体结构
lucene软件包的发布形式是一个jar文件，版本更新较快且版本差距较大，本文使用的是5.3.1的版本，主要使用的子包如表1-2所示。
表1-2：子包和功能
|
包名 |
功能 |
|
org .apache.lucene .analysis |
分词 |
|
org .apache.lucene .document |
对索引管理的文档 |
|
org .apache.lucene .index |
索引操作，包括增加、删除等 |
|
org .apache.lucene .queryparser |
查询器，构造检索表达式 |
|
org .apache.lucene .search |
检索管理 |
|
org .apache.lucene .store |
数据存储管理 |
|
org .apache.lucene .util |
公共类 |
1.3 lucene架构设计
lucene功能非常强大，但从根本上来说，主要包括两块：一是从文本内容切分词后索引入库；二是根据查询条件返回结果，即建立索引和进行查询两部分。
如图1-1所示，本文抛出外部接口以及信息来源，重点对网页爬取的文本内容进行索引和查询 。
图1-1：lucene的架构设计
2 jdk的安装和环境变量的配置
1.jdk的下载：
在oracle官网下载符合系统版本的压缩包，网址如下。点击安装，根据提示进行安装，在安装过程中会提示是否安装jre，点击是。
2.设置环境变量：
（1）右键计算机=》属性=》高级系统设置=》环境变量=》系统变量=》新建=》java_home:安装路径
（2）path中新增=》%java_home%\bin
3.测试是否成功：
开始=》运行=》cmd 回车 在弹出的 dos 窗口内
输入：java -version 会出现版本信息，
输入： javac出现 javac 的用法信息
出现如图2-1所示为成功。
图2-1：cmd命令框测试java配置
3 编写java代码实现对网页内容的获取
因为lucene针对不同语言要使用不同的分词器，英文使用标准分词器，中文选择使用smartcn分词器。在获取网页的时候，先获取网页存为html文件，在html中由于标签 的干扰，会对检索效果产生影响，因此需要对html标签进行剔除，并将文本内容转为txt文件进行保存。中英文除了分词器不同，其他基本一致，因此之后的代码和实验结果演 示会选择任一。本文选取五十篇中文故事和英文故事的网页为例。
具体代码设计如下图：url2html.java将输入网址的网页转存为html文件,html2txt.java文件实现html文档标签的去除，转存为txt文档。具体代码如图3-1和3-2。
public void way(string filepath,string url) throws exception{
file dest = new file(filepath);//建立文件
inputstream is;//接收字节输入流
fileoutputstream fos = new fileoutputstream(dest);//字节输出流
url wangzhi = new url(url);//设定网址url
is = wangzhi.openstream();
bufferedinputstream bis = new bufferedinputstream(is);//为字节输入流加缓冲
bufferedoutputstream bos = new bufferedoutputstream(fos);//为字节输出流加缓冲
/*
* 对字节进行读取
*/
int length;
byte[] bytes = new byte[1024*20];
while((length = bis.read(bytes, 0, bytes.length)) != -1){
fos.write(bytes, 0, length);
}
/*
* 关闭缓冲流和输入输出流
*/
bos.close();
fos.close();
bis.close();
is.close();
}
public string getbody(string val){
string zyf = val.replaceall("</?[^>]+>", ""); //剔出<html>的标签
return zyf;
}
public void writetxt(string str,string writepath) {
file writename = new file(writepath);
try {
writename.createnewfile();
bufferedwriter out = new bufferedwriter(new filewriter(writename));
out.write(str);
out.flush();
out.close();
} catch (ioexception e) {
e.printstacktrace();
}
}
以童话故事《笨狼上学》的网页为例，文档路径设为”e:\work \lucene \test \data \html”和”e:\work\lucene\test\data\txt”，在每一次读取网页的时候需要设定的两个参数为文件命名filename和获取目标网址url。新建一个main函数，实现对两个方法的调用。具体实现如图3-3所示：
public static void main(string[] args) {
string filename = "jingdizhi";//文件名字
string url = "http://www.51test.net/show/8072125.html";//需要爬取的网页url
string filepath = "e:\\work\\lucene\\test\\data\\html\\"+filename+".html";//写出html的文件路径+文件名
string writepath = "e:\\work\\lucene\\test\\data\\txt\\"+filename+".txt";//写出txt的文件路径+文件名
url2html url2html = new url2html();
try {
url2html.way(filepath,url);
} catch (exception e) {
e.printstacktrace();
}
html2txt html2txt = new html2txt();
string read=html2txt.readfile(filepath);//读取html文件
string txt = html2txt.getbody(read);//去除html标签
system.out.println(txt);
try {
html2txt.writetxt(txt,writepath);
} catch (exception e) {
e.printstacktrace();
}
}
执行程序后，分别在两个文件夹中建立”笨狼上学.html”和”笨狼上学.txt”。
4 建立索引
索引和查询的基本原理如下：
建立索引：搜索引擎的索引其实就是实现“单词-文档矩阵”的具体数据结构。也是进行全文检索的第一步，lucene提供indexwriter类进行索引的管理，主要包括add()、delete()、update()。还有对权值的设定，通过不同索引权值的设定，可以在搜索的时候根据相关性大小进行返回。
进行搜索：原本的直接搜索是针对文档进行顺序检索，在建立索引之后，可以通过对索引的查找以找到索引词在文档中出现的位置，然后返回索引项所对的文档中的位置和词。lucene提供indexsearcher类进行对文档的检索，检索形式主要分为两类，第一类是term，针对单个词项的检索；第二类是parser，可以自定义构造检索表达式，有较多的检索形式，具体的方法会在之后进行实现的演示。
4.1 实验环境
本pc机采用windows 10x64系统，8g内存，256g固态硬盘。开发环境为myeclipse 10，jdk版本为1.8。在实验过程中，因为部分语法的转变，若干class采用1.6版本实现。
4.2 建立索引
建立索引库就是往索引库添加一条条索引记录，lucene为添加一条索引记录提供了接口，添加索引。
主要用到了“写索引器”、“文档”、“域”这3 个类。要建立索引，首先要构造一个document 文档对象，确定document的各个域，这类似于关系型数据库中表结构的建立，document相当于表中的一个记录行，域相当于一行中的列，在lucene 中针对不同域的属性和数据输出的需求，对域还可以选择不同的索引/存储字段规则，在本实验中，文件名filename、文件路径fullpath和文本内容content作为document 的域。
indexwriter 负责接收新加入的文档，并写入索引库中。在创建“写索引器”indexwriter 时需要指定所使用的语言分析器。建立索引分为两个类别，第一：不加权索引；第二：加权索引。
public indexer(string indexdir)throws exception{
directory dir=fsdirectory.open(paths.get(indexdir));
analyzer analyzer=new standardanalyzer(); // 标准分词器
//smartchineseanalyzer analyzer = new smartchineseanalyzer();
indexwriterconfig iwc=new indexwriterconfig(analyzer);
writer=new indexwriter(dir, iwc);
}
设置索引字段，store表示是否对索引内容存储：filename和fullpath占用内存较少可以进行存储，以方便查询返回。
private document getdocument(file f)throws exception {
document doc=new document();
doc.add(new textfield("contents", new filereader(f)));
doc.add(new textfield("filename", f.getname(),store.yes));
doc.add(new textfield("fullpath",f.getcanonicalpath(),store.yes));//路径索引
return doc;
}
执行主代码后结果如图：设计在索引某个文件的时候返回文件“索引文件：+文件路径”，且计算输出索引全部文件花费的时间。
4.3 对索引的删除和修改
一般对数据库的操作包括crud（增加、删除、更改、查询），增加就是对索引项的选择和建立，查询作为较为核心的功能会在之后展开论述，这里主要记录一下在删除、更新索引时用到的方法。
删除分为两种类型，包括普通的删除和彻底删除，因为索引的删除影响到整个数据库，而且对于大型的系统而言，删除索引意味着对系统的底层进行更改，耗时耗力而且无法返回，前面索引的时候看到建立索引后生成若干小文件，当进行查找的时候会将各个文件进行合并然后查找。普通删除仅仅是对之前建立的索引做个简单的标记，致使无法进行查找返回。彻底删除则是对索引进行销毁，无法撤销。以删除索引项“id”为1的索引为例：
普通的删除(在合并前删除)：
writer.deletedocuments(new term("id","1"));
writer.commit();
彻底的删除（在合并后删除）：
writer.deletedocuments(new term("id","1"));
writer.forcemergedeletes(); // 强制删除
writer.commit();
对索引的修改原理比较简单，就是在原有索引的基础上实现覆盖，实现代码跟上文的增加索引一样，在此不多做阐述。
4.4 对索引的加权
lucene默认按照相关度排序，lucene对field提供了一个可以设置的boosting参数，这个参数用来表示记录的重要性，在满足搜索条件是，会优先考虑重要性高的记录，返回结果靠前，如果记录较多，权值低的记录会排到首页之后，因此，对索引的加权操作是影响返回结果满意度的重要因素，在实际设计信息系统的时候，应该有严格的权值计算公式，方便对field权值的更改，更好的满足用户的需求。
例如搜索引擎将点击率高，链入链出的网页给定较高的权重，在返回的时候排到第一页。实现代码如图4-1所示，不加权和加权结果对比如图4-2所示。
textfield field = new textfield("fullpath", f.getcanonicalpath(), store.yes);
if("a great grief.txt".equals(f.getname())){
field.setboost(2.0f);//对文件名为secondry story.txt的fullpath路径加权；
} //默认权重为1.0，改为1.2即增加权重。
doc.add(field);
图4-1：索引加权
图4-2：加权之前
图4-2：加权之后
由图4-2结果可以看出，不加权时，按照字典顺序排列返回，因此first在secondry之前，在对secondry命名的文件路径加权后，返回的时候顺序发生变化，实现对权重的测试。
5 进行查询
lucene 的检索接口主要由queryparser、indexsearcher、hits这3 个类构成，queryparser 是查询解析器，负责解析用户提交的查询关键字，在新建一个解析器时需要指定要解析的域和使用什么语言分析器，这里使用的语言分析器必须与索引库建立时使用的解析器相同，否则查询结果不正确。indexsearcher是索引搜索器，在实例化indexsearcher时需要指定索引库所在的目录，indexsearcher有一个search 方法执行索引的检索，这个方法接受query 作为参数，返回hits，hists 是一系列排好序的查询结果的集合，集合的元素是document。通过document的get 方法可以得到与这个文档对应文件的信息，比如：文件名、文件路径、文件内容等。
5.1 基本查询
如图查询主要有两种方式，但是推荐使用第一种构造queryparser表达式，它可以有灵活的组合方式，包括布尔逻辑表达、模糊匹配等，但是第二种term只能针对词汇查询。
1.构造queryparser查询式：
queryparser parser=new queryparser("fullpath", analyzer);
query query=parser.parse(q);
2.对特定项的查询：
term t = new term("filename", q);
query query = new termquery(t);
查询结果如图5-1所示：以查询文件名filename包含“大”为例。
图5-1：“大”查询结果
5.2 模糊查询
在构造queryparser时，通过对词项q的修改可以实现精确匹配和模糊匹配。模糊匹配通过在“q”之后加“~”进行修改。如图5-2所示：
图5-2：模糊匹配
5.3 限定条件查询
布尔逻辑查询和模糊查询只需要对查询词q进行更改，而限定条件查询需要对query表达式进行设定，主要分为以下几类：
分别为指定项范围搜索、指定数字范围、指定字符串开头和多条件查询，分别列出应用的查询，true参数指的：是否包含上限和下限在内。
指定项范围：
termrangequery query=new termrangequery("desc", new bytesref("b".getbytes()), new bytesref("c".getbytes()), true, true);
指定数字范围：
numericrangequery<integer> query=numericrangequery.newintrange("id", 1, 2, true, true);
指定字符串开头：
prefixquery query=new prefixquery(new term("city","a"));
多条件查询：
numericrangequery<integer>query1=numericrangequery.newintrange("id", 1, 2, true, true);
prefixquery query2=new prefixquery(new term("city","a"));
booleanquery.builder booleanquery=new booleanquery.builder();
booleanquery.add(query1,booleanclause.occur.must);
booleanquery.add(query2,booleanclause.occur.must);
5.4 高亮查询
在百度、谷歌等搜索引擎中，进行查询时，返回的网页包含查询关键字的时候会显示为红色，且进行摘要显示，即对包含关键字的部分内容进行截取并返回。高亮查询即为实现对关键字的样式更改，本实验在myeclipse中进行，返回结果并不会有样式的改变，只会对返回内容的关键字添加html标签，如果显示到网页即产生样式的变化。
高亮的设置代码如图5-3所示，结果如图5-4所示，会对南京匹配词添加<b>和<font>标签，显示到网页上为加粗和变红。
queryscorer scorer=new queryscorer(query);
fragmenter fragmenter=new simplespanfragmenter(scorer);
simplehtmlformatter simplehtmlformatter=new simplehtmlformatter("<b><font color='red'>","</font></b>");
highlighter highlighter=new highlighter(simplehtmlformatter, scorer);
highlighter.settextfragmenter(fragmenter);
图5-3：高亮设置
图5-4：高亮显示结果
6 实验过程中遇到的问题和不足
lucene版本更新较快，在jdk版本、eclipse版本和lucene版本之间需要一个良好的衔接，否则会造成很多的不兼容，在调试版本以及jdk1.6和jdk1.8的选择上出现很多困难，比如网页抓取中的append方法在1.8版本已经删除，不能使用。但是对文档路劲的读取fsdirectory.open()则需要jdk1.8才支持。
本实验的不足之处主要表现在：
代码的灵活性较低，在爬取网页的时候需要手工进行，且需要对中文和英文分别进行，应该完善代码使得对网页的语言有个判定，然后自动选择执行不同的分词器。
代码的复用性较低，没有较为合理的分类和方法的构建，为了简便，基本在几个核心代码中进行注释和标记而实现效果，有待改进。
代码的可移植性较低，对网页的爬取使用的是jdk1.6的版本，lucene的实现使用的是jdk1.8的版本，在导出到其他机器上，需要对环境稍加修改和配置，无法实现一键式操作。
7 总结
本文从lucene的原理出发，了解了全文检索的思路和方法，并对常用的功能进行了实验和测试。在实验的过程中，了解了搜索引擎的原理，基于信息检索课程的内容上，有了一个更好的实操体验。lucene 是一个优秀的开源全文本搜索技术框架，通过对它的深入研究，对其实现机制更加熟悉，在研究它的过程中学习了很多面向对象的编程方法和思想，它良好的系统框架和扩展性值得学习借鉴。
上一篇： iOS 拦截重定向302跳转的方法详解
下一篇： Java基础知识杂文