Rust 实战丨倒排索引

引言

倒排索引（Inverted Index）是一种索引数据结构，用于存储某个单词（词项）在一组文档中的所有出现情况的映射。它是搜索引擎执行快速全文搜索的核心技术，也广泛用于数据库中进行文本搜索。我们熟知的 ElasticSearch 最核心底层原理便就是倒排索引。

倒排索引的基本原理是将文档中的词汇进行反转，形成倒排列表。 在倒排列表中，每个词汇都对应一个文档标识符的列表，这些标识符指明了该词汇出现在哪些文档中。 通过查询倒排列表，可以快速地找到包含特定词汇的文档。

本文将使用 Rust 语言来实现一个简单的倒排索引，包括倒排索引的构建和搜索过程。在下一篇文章中，笔者会基于《Rust 程序设计（第二版）》并发编程篇章，解读该书作者是如何基于 Rust 通道实现更优秀、更高性能的倒排索引。

可以学到

1. 倒排索引的原理、优势和使用
2. 常用 crate：colored、regex
3. Rust HashMap
4. Rust 迭代器

开发思路

倒排索引构建过程

一个简单的倒排索引开发思路大概如上图所示：

1. 读取文档
2. 分词
3. 构建每个词到每个文档的映射

开发过程

完整源码位于：inverted_index。

最终效果

fn main() {
    let mut index = InvertedIndex::new();
    index.add(1, "Rust is safe and fast.");
    index.add(2, "Rust is a systems programming language.");
    index.add(3, "Programming in Rust is fun.");

    // query "Rust"
    let results = index.query("Rust");
    for result in results {
        println!("{}", result);
    }

    println!("");

    // query "Programming"
    let results = index.query("Programming");
    for result in results {
        println!("{}", result);
    }
}

执行：

cargo run

输出：

inverted index 输出示例

版本声明

[package]
name = "inverted_index"
version = "0.1.0"
edition = "2021"

[dependencies]
colored = "2.1.0"
regex = "1.10.4"

项目准备

首先我们创建项目：

cargo new inverted_index

准备依赖：

cargo add regex
cargo add colored

• colored: 终端高亮，后面我们将实现搜索词的高亮显示，使结果更美观。
• regex: 正则库，用于实现不区分大小写替换匹配到的搜索词。

实现过程

首先我们定义两个数据结构：

struct Document {
    id: usize,
    content: String,
}

struct InvertedIndex {
    indexes: HashMap<String, Vec<usize>>,
    documents: HashMap<usize, Document>,
}

impl InvertedIndex {
    fn new() -> InvertedIndex {
        InvertedIndex {
            indexes: HashMap::new(),
            documents: HashMap::new(),
        }
    }
}

• Document: 封装原始文档
• IndexedIndex: 我们将构建的倒排索引

接下来我们要实现 2 个辅助函数，一个是 tokenize，用于将原始的文档信息拆分成独立的词（word/term），另一个是 hightlight，用于将匹配到的文本进行替换，使其在中断可以以紫色输出。

tokenize 实现如下：

fn tokenize(text: &str) -> Vec<&str> {
    text.split(|ch: char| !ch.is_alphanumeric())
        .filter(|c| !c.is_empty())
        .collect()
}

#[test]
fn tokenize_test() {
    assert_eq!(
        tokenize("This is\nhedon's tokenize function."),
        vec!["This", "is", "hedon", "s", "tokenize", "function"]
    )
}

highlight 实现如下：

fn highlight(term: &str, content: &str) -> String {
    let regex = Regex::new(&format!(r"(?i){}", term)).unwrap();
    let highlighted_content = regex
        .replace_all(content, |caps: &regex::Captures| {
            caps[0].to_string().purple().to_string()
        })
        .to_string();
    highlighted_content
}

#[test]
fn highlight_test() {
    assert_eq!(
        highlight("programming", "I like programming with Rust Programming"),
        "I like \u{1b}[35mprogramming\u{1b}[0m with Rust \u{1b}[35mProgramming\u{1b}[0m"
    );
}

现在我们可以为 InvertedIndex 实现构建索引的方法 add 了，它会接收原始文档，对其进行分词，并将记录每个分词和文档 id 的映射。

impl InvertedIndex {
  	fn add(&mut self, doc_id: usize, content: &str) {
        let content_lowercase = content.to_lowercase();
        let words = tokenize(&content_lowercase);
        for word in words {
            self.indexes
                .entry(word.to_string())
                .or_insert(vec![])
                .push(doc_id)
        }

        self.documents.insert(
            doc_id,
            Document {
                id: doc_id,
                content: content.to_string(),
            },
        );
    }
}

然后我们再实现对应的根据分词 term 搜索原始文档的方法：

impl InvertedIndex {
  	fn query(&self, term: &str) -> Vec<String> {
        let term_lowercase = term.to_lowercase();
        if let Some(doc_ids) = self.indexes.get(&term_lowercase) {
            doc_ids
                .iter()
                .filter_map(|doc_id| {
                    self.documents
                        .get(doc_id)
                        .map(|doc| highlight(&term_lowercase, &doc.content))
                })
                .collect()
        } else {
            Vec::new()
        }
    }
}

这样一个简单的倒排索引构建和搜索功能就完成了，具体的执行效果你可以回到前面的「最终效果」进行查阅。

总结预告

本文实现的倒排索引虽然非常简单，但是也基本体现了倒排索引的最核心思想和应用方式了。在《Rust 程序设计（第二版）》的并发编程篇章中，该书提出了使用通道 channel 来并发构建倒排索引，同时给出了更加丰富和优雅的实现。在下篇文章中，笔者将阅读这部分的源码，解析并重现当中的实战过程，并进行适当扩展。

peace! enjoy coding~

绘图工具

• https://excalidraw.com/

参考资料

• 维基百科·倒排索引
• Rust 程序设计（第二版）