Elasticsearch Suggester详解（自动补全）

╰半夏微凉° 2023-10-04 08:23 8阅读 0赞

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*  type: "completion", 这个类型是Suggester的核心

现代的搜索引擎，一般会具备"Suggest As You Type"功能，即在用户输入搜索的过程中，进行自动补全或者纠错。 通过协助用户输入更精准的关键词，提高后续全文搜索阶段文档匹配的程度。例如在Google上输入部分关键词，甚至输入拼写错误的关键词时，它依然能够提示出用户想要输入的内容:

[![google\_completion\_suggester.png][google_completion_suggester.png]][google_completion_suggester.png_google_completion_suggester.png]

[![google\_terms\_suggester.png][google_terms_suggester.png]][google_terms_suggester.png_google_terms_suggester.png]

如果自己亲手去试一下，可以看到Google在用户刚开始输入的时候是自动补全的，而当输入到一定长度，如果因为单词拼写错误无法补全，就开始尝试提示相似的词。  
  
那么类似的功能在Elasticsearch里如何实现呢？ 答案就在Suggesters API。 Suggesters基本的运作原理是将输入的文本分解为token，然后在索引的字典里查找相似的term并返回。 根据使用场景的不同，Elasticsearch里设计了4种类别的Suggester，分别是:

*  Term Suggester
 *  Phrase Suggester
 *  Completion Suggester
 *  Context Suggester

在官方的参考文档里，对这4种Suggester API都有比较详细的介绍，但苦于只有英文版，部分国内开发者看完文档后仍然难以理解其运作机制。 本文将在Elasticsearch 5.x上通过示例讲解Suggester的基础用法，希望能帮助部分国内开发者快速用于实际项目开发。限于篇幅，更为高级的Context Suggester会被略过。  
  
  
首先来看一个Term Suggester的示例:  
准备一个叫做blogs的索引，配置一个text字段。

>   
> PUT /blogs/  
> \{  
> "mappings": \{  
> "tech": \{  
> "properties": \{  
> "body": \{  
> "type": "text"  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}

通过bulk api写入几条文档

>   
> POST \_bulk/?refresh=true  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Lucene is cool"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Elasticsearch builds on top of lucene"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Elasticsearch rocks"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Elastic is the company behind ELK stack"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "elk rocks"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "elasticsearch is rock solid"\}

此时blogs索引里已经有一些文档了，可以进行下一步的探索。为帮助理解，我们先看看哪些term会存在于词典里。  
将输入的文本分析一下:

>   
> POST \_analyze  
> \{  
> "text": \[  
> "Lucene is cool",  
> "Elasticsearch builds on top of lucene",  
> "Elasticsearch rocks",  
> "Elastic is the company behind ELK stack",  
> "elk rocks",  
> "elasticsearch is rock solid"  
> \]  
> \}

(由于结果太长，此处略去)  
  
这些分出来的token都会成为词典里一个term，注意有些token会出现多次，因此在倒排索引里记录的词频会比较高，同时记录的还有这些token在原文档里的偏移量和相对位置信息。  
执行一次suggester搜索看看效果:

>   
> POST /blogs/\_search  
> \{  
> "suggest": \{  
> "my-suggestion": \{  
> "text": "lucne rock",  
> "term": \{  
> "suggest\_mode": "missing",  
> "field": "body"  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}

suggest就是一种特殊类型的搜索，DSL内部的"text"指的是api调用方提供的文本，也就是通常用户界面上用户输入的内容。这里的lucne是错误的拼写，模拟用户输入错误。 "term"表示这是一个term suggester。 "field"指定suggester针对的字段，另外有一个可选的"suggest\_mode"。 范例里的"missing"实际上就是缺省值，它是什么意思？有点挠头... 还是先看看返回结果吧:

>   
> \{  
> "took": 1,  
> "timed\_out": false,  
> "\_shards": \{  
> "total": 1,  
> "successful": 1,  
> "failed": 0  
> \},  
> "hits": \{  
> "total": 0,  
> "max\_score": 0,  
> "hits":  
> \},  
> "suggest": \{  
> "my-suggestion": \[  
> \{  
> "text": "lucne",  
> "offset": 0,  
> "length": 5,  
> "options": \[  
> \{  
> "text": "lucene",  
> "score": 0.8,  
> "freq": 2  
> \}  
> \]  
> \},  
> \{  
> "text": "rock",  
> "offset": 6,  
> "length": 4,  
> "options":  
> \}  
> \]  
> \}  
> \}

在返回结果里"suggest" -> "my-suggestion"部分包含了一个数组，每个数组项对应从输入文本分解出来的token（存放在"text"这个key里）以及为该token提供的建议词项（存放在options数组里)。 示例里返回了"lucne"，"rock"这2个词的建议项(options)，其中"rock"的options是空的，表示没有可以建议的选项，为什么？ 上面提到了，我们为查询提供的suggest mode是"missing",由于"rock"在索引的词典里已经存在了，够精准，就不建议啦。 只有词典里找不到词，才会为其提供相似的选项。  
  
如果将"suggest\_mode"换成"popular"会是什么效果？  
尝试一下，重新执行查询，返回结果里"rock"这个词的option不再是空的，而是建议为rocks。

>   
> "suggest": \{  
> "my-suggestion": \[  
> \{  
> "text": "lucne",  
> "offset": 0,  
> "length": 5,  
> "options": \[  
> \{  
> "text": "lucene",  
> "score": 0.8,  
> "freq": 2  
> \}  
> \]  
> \},  
> \{  
> "text": "rock",  
> "offset": 6,  
> "length": 4,  
> "options": \[  
> \{  
> "text": "rocks",  
> "score": 0.75,  
> "freq": 2  
> \}  
> \]  
> \}  
> \]  
> \}

回想一下，rock和rocks在索引词典里都是有的。 不难看出即使用户输入的token在索引的词典里已经有了，但是因为存在一个词频更高的相似项，这个相似项可能是更合适的，就被挑选到options里了。 最后还有一个"always" mode，其含义是不管token是否存在于索引词典里都要给出相似项。  
  
有人可能会问，两个term的相似性是如何判断的？ ES使用了一种叫做Levenstein edit distance的算法，其核心思想就是一个词改动多少个字符就可以和另外一个词一致。 Term suggester还有其他很多可选参数来控制这个相似性的模糊程度，这里就不一一赘述了。  
  
Term suggester正如其名，只基于analyze过的单个term去提供建议，并不会考虑多个term之间的关系。API调用方只需为每个token挑选options里的词，组合在一起返回给用户前端即可。 那么有无更直接办法，API直接给出和用户输入文本相似的内容？ 答案是有，这就要求助Phrase Suggester了。  
  
Phrase suggester在Term suggester的基础上，会考量多个term之间的关系，比如是否同时出现在索引的原文里，相邻程度，以及词频等等。看个范例就比较容易明白了:

> 
> POST /blogs/\_search 
> \{ 
> "suggest": \{ 
> "my-suggestion": \{ 
> "text": "lucne and elasticsear rock", 
> "phrase": \{ 
> "field": "body", 
> "highlight": \{ 
> "pre\_tag": "", 
> "post\_tag": "" 
> \} 
> \} 
> \} 
> \} 
> \}

返回结果:

> 
> "suggest": \{ 
> "my-suggestion": \[ 
> \{ 
> "text": "lucne and elasticsear rock", 
> "offset": 0, 
> "length": 26, 
> "options": \[ 
> \{ 
> "text": "lucene and elasticsearch rock", 
> "highlighted": "lucene and elasticsearch rock", 
> "score": 0.004993905 
> \}, 
> \{ 
> "text": "lucne and elasticsearch rock", 
> "highlighted": "lucne and elasticsearch rock", 
> "score": 0.0033391973 
> \}, 
> \{ 
> "text": "lucene and elasticsear rock", 
> "highlighted": "lucene and elasticsear rock", 
> "score": 0.0029183894 
> \} 
> \] 
> \} 
> \] 
> \}

options直接返回一个phrase列表，由于加了highlight选项，被替换的term会被高亮。因为lucene和elasticsearch曾经在同一条原文里出现过，同时替换2个term的可信度更高，所以打分较高，排在第一位返回。Phrase suggester有相当多的参数用于控制匹配的模糊程度，需要根据实际应用情况去挑选和调试。  
  
  
最后来谈一下Completion Suggester，它主要针对的应用场景就是"Auto Completion"。 此场景下用户每输入一个字符的时候，就需要即时发送一次查询请求到后端查找匹配项，在用户输入速度较高的情况下对后端响应速度要求比较苛刻。因此实现上它和前面两个Suggester采用了不同的数据结构，索引并非通过倒排来完成，而是将analyze过的数据编码成FST和索引一起存放。对于一个open状态的索引，FST会被ES整个装载到内存里的，进行前缀查找速度极快。但是FST只能用于前缀查找，这也是Completion Suggester的局限所在。  
  
为了使用Completion Suggester，字段的类型需要专门定义如下:

>   
> PUT /blogs\_completion/  
> \{  
> "mappings": \{  
> "tech": \{  
> "properties": \{  
> "body": \{  
> "type": "completion"  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}

用bulk API索引点数据:

>   
> POST \_bulk/?refresh=true  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs\_completion", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Lucene is cool"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs\_completion", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Elasticsearch builds on top of lucene"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs\_completion", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Elasticsearch rocks"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs\_completion", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "Elastic is the company behind ELK stack"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs\_completion", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "the elk stack rocks"\}  
> \{ "index" : \{ "\_index" : "blogs\_completion", "\_type" : "tech" \} \}  
> \{ "body": "elasticsearch is rock solid"\}

查找:

>   
> POST blogs\_completion/\_search?pretty  
> \{ "size": 0,  
> "suggest": \{  
> "blog-suggest": \{  
> "prefix": "elastic i",  
> "completion": \{  
> "field": "body"  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}

结果:

>   
> "suggest": \{  
> "blog-suggest": \[  
> \{  
> "text": "elastic i",  
> "offset": 0,  
> "length": 9,  
> "options": \[  
> \{  
> "text": "Elastic is the company behind ELK stack",  
> "\_index": "blogs\_completion",  
> "\_type": "tech",  
> "\_id": "AVrXFyn-cpYmMpGqDdcd",  
> "\_score": 1,  
> "\_source": \{  
> "body": "Elastic is the company behind ELK stack"  
> \}  
> \}  
> \]  
> \}  
> \]  
> \}

值得注意的一点是Completion Suggester在索引原始数据的时候也要经过analyze阶段，取决于选用的analyzer不同，某些词可能会被转换，某些词可能被去除，这些会影响FST编码结果，也会影响查找匹配的效果。  
  
比如我们删除上面的索引，重新设置索引的mapping，将analyzer更改为"english":

>   
> PUT /blogs\_completion/  
> \{  
> "mappings": \{  
> "tech": \{  
> "properties": \{  
> "body": \{  
> "type": "completion",  
> "analyzer": "english"  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}  
> \}

bulk api索引同样的数据后，执行下面的查询:

居然没有匹配结果了，多么费解！ 原来我们用的english analyzer会剥离掉stop word，而is就是其中一个，被剥离掉了！  
用analyze api测试一下:

> 
> POST \_analyze?analyzer=english 
> \{ 
> "text": "elasticsearch is rock solid" 
> \} 
> 
> 会发现只有3个token: 
> \{ 
> "tokens": \[ 
> \{ 
> "token": "elasticsearch", 
> "start\_offset": 0, 
> "end\_offset": 13, 
> "type": "<ALPHANUM>", 
> "position": 0 
> \}, 
> \{ 
> "token": "rock", 
> "start\_offset": 17, 
> "end\_offset": 21, 
> "type": "<ALPHANUM>", 
> "position": 2 
> \}, 
> \{ 
> "token": "solid", 
> "start\_offset": 22, 
> "end\_offset": 27, 
> "type": "<ALPHANUM>", 
> "position": 3 
> \} 
> \] 
> \}

FST只编码了这3个token，并且默认的还会记录他们在文档中的位置和分隔符。 用户输入"elastic i"进行查找的时候，输入被分解成"elastic"和"i"，FST没有编码这个“i” , 匹配失败。  
  
好吧，如果你现在还足够清醒的话，试一下搜索"elastic is"，会发现又有结果，why? 因为这次输入的text经过english analyzer的时候is也被剥离了，只需在FST里查询"elastic"这个前缀，自然就可以匹配到了。  
  
其他能影响completion suggester结果的，还有诸如"preserve\_separators"，"preserve\_position\_increments"等等mapping参数来控制匹配的模糊程度。以及搜索时可以选用Fuzzy Queries，使得上面例子里的"elastic i"在使用english analyzer的情况下依然可以匹配到结果。  
  
因此用好Completion Sugester并不是一件容易的事，实际应用开发过程中，需要根据数据特性和业务需要，灵活搭配analyzer和mapping参数，反复调试才可能获得理想的补全效果。  
  
回到篇首Google搜索框的补全/纠错功能，如果用ES怎么实现呢？我能想到的一个的实现方式:

1.  在用户刚开始输入的过程中，使用Completion Suggester进行关键词前缀匹配，刚开始匹配项会比较多，随着用户输入字符增多，匹配项越来越少。如果用户输入比较精准，可能Completion Suggester的结果已经够好，用户已经可以看到理想的备选项了。
2.  如果Completion Suggester已经到了零匹配，那么可以猜测是否用户有输入错误，这时候可以尝试一下Phrase Suggester。
3.  如果Phrase Suggester没有找到任何option，开始尝试term Suggester。

精准程度上(Precision)看： Completion > Phrase > term， 而召回率上(Recall)则反之。从性能上看，Completion Suggester是最快的，如果能满足业务需求，只用Completion Suggester做前缀匹配是最理想的。 Phrase和Term由于是做倒排索引的搜索，相比较而言性能应该要低不少，应尽量控制suggester用到的索引的数据量，最理想的状况是经过一定时间预热后，索引可以全量map到内存。

JavaPub参考巨人：[https://elasticsearch.cn/article/142][https_elasticsearch.cn_article_142]

[google_completion_suggester.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/0a5d195d0dcb851f8fbee0f90a38eee9.png
[google_completion_suggester.png_google_completion_suggester.png]: https://elasticsearch.cn/uploads/article/20170316/2bbcf0300cad83250e8229f8233666a3.png
[google_terms_suggester.png]: https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/fa35a7c4b41b3fb55d9733d1aef4f975.png
[google_terms_suggester.png_google_terms_suggester.png]: https://elasticsearch.cn/uploads/article/20170316/3eca9df4df1bd45c1c769dfc173340ed.png
[https_elasticsearch.cn_article_142]: https://elasticsearch.cn/article/142