Solr文本分析剖析【文本分析、分词器详解、自定义文本分析字段及分词器】

2023-12-26 13:37:39

一.概述

　　Solr文本分析消除了索引词项与用户搜索词项之间的语言差异，让用户在搜索buying a new house时能找到类似的内容，例如：purchasing a new home这样的文档。如果搭配恰当，文本分析就能允许用户使用自然语言进行搜索，而无需考虑搜索词项的所有可能形式。毕竟谁也不想看到为了相似搜索而构造这样的查询表达式：buying house OR purchase home OR buying a home OR purchasing a house ...。

　　用户可以使用自然语言来搜索他们需要的重要的信息，这是提供良好搜索体验的基础。鉴于Google或百度等搜索引擎的广泛使用，用户往往会期望搜索引擎非常智能，而搜索引擎的智能化就是从优秀的文本分析开始的。文本分析不仅用于消除词项之间的表面差异，还用来解决更复杂的问题，例如：特定语种解析、部分词性标注与词性还原等。

　　Solr包含一个文本分析可扩展框架，可以移除常见词汇【也就是停用词】，以及执行其他更复杂的文本分析任务。Solr文本分析框架提供了强大的功能与灵活的扩展性，但对于初学者来说，这个框架过于复杂，使人望而却步。这就是我们说的事物具有两面性，Solr有可能解决非常复杂的文本分析问题，但也可能使原来非常简单的分析任务变的很麻烦。Solr在schema.xml文件中预置了许多字段类型，用于确保初学者在接触开箱即用的Solr时，能较容易地开始使用文本分析。

二.微博案例分析

　　当我们要设计与实现一个大众社交媒体网站【类似微博、Twitter】的微博内容搜索解决方案。因为要聚焦到微博的内容，这将重点聚焦到文本分析，所以先了解微博文档的文本字段。一下是打算分析的文本。

　　elasticsearch and Solr is highly reliable, scalable and fault tolerant, providing distributed indexing, replication and load-balanced querying, automated failover and recovery, centralized configuration and more. Solr powers the search and navigation features of many of the world's largest internet sites.

　　正如上面所述，文本分析的主要目标是让用户使用自然语言进行搜索，无须考虑词项的所有可能的表达形式。当用户想搜索solr index时，这是一个自然语言查询，用户期望找到包含solr和index的数据，这只会精确匹配，上面的indexing就匹配不上。下面是分词器的分词结果：

　　因此，摆在我们面前的任务是，使用solr文本分析框架将微博文本转换为一种易于寻找的形式。

三.基础文本分析

　　schema.xml的<types>部分使用<fieldType>元素定义了文档中所有可能的字段，每个<fieldType>定义了字段的格式，以及在索引与查询中该字段如何进行分析。上面使用的分词器就是solr自带的text_general字段类型进行的分词，这是一种较为简单的字段类型，如下：

    <!-- A general text field that has reasonable, generic cross-language defaults: it tokenizes with StandardTokenizer,removes stop words 
　　　　from case-insensitive "stopwords.txt" (empty by default), and down cases.  At query time only, it also applies synonyms. -->
    <fieldType name="text_general" class="solr.TextField" positionIncrementGap="100">
      <analyzer type="index">
        <tokenizer class="solr.StandardTokenizerFactory"/>
        <filter class="solr.StopFilterFactory" ignoreCase="true" words="stopwords.txt" />
        <!-- in this example, we will only use synonyms at query time
        <filter class="solr.SynonymGraphFilterFactory" synonyms="index_synonyms.txt" ignoreCase="true" expand="false"/>
        <filter class="solr.FlattenGraphFilterFactory"/>
        -->
        <filter class="solr.LowerCaseFilterFactory"/>
      </analyzer>
      <analyzer type="query">
        <tokenizer class="solr.StandardTokenizerFactory"/>
        <filter class="solr.StopFilterFactory" ignoreCase="true" words="stopwords.txt" />
        <filter class="solr.SynonymGraphFilterFactory" synonyms="synonyms.txt" ignoreCase="true" expand="true"/>
        <filter class="solr.LowerCaseFilterFactory"/>
      </analyzer>
    </fieldType>

　　1.分析器

　　　　在<fieldType>元素中至少定义一个<analyser>，以确定如何分析文本。常见的做法是定义两个单独的<analyser>元素，一个用于分析索引时的文本，一个用于分析用户搜索时输入的文本【如上面的text_general】。对于为什么使用两个而不是共用一个，很明显，对于索引文档和查询处理进行文本分析，后者往往需要进行更多的分析。例如，查询的文本分析中通常会添加同义词，而索引的文本分析不会这样做，因为同义词会增大索引体积。因此，这样处理一般放在查询处理中。

　　　　虽然定义两个单独的分析器，但查询词项的分析器必须兼容索引时的文本分析方法【例如，必须使用相同的分词器，不同分词器分相同的文本，分出的词可能不同，这会导致无法查询】。

　　2.分词器

　　　　在Solr中，每个<analyser>将文本分析过程分为两个阶段：词语切分和词语过滤。严格来说，还有第三个阶段，即词语切分之前的预处理阶段，这个阶段可以使用字符过滤器。在词语切分阶段，文本会以各种解析形式被拆分为词元流。WhitespaceTokenizer是最基本的分词器，仅使用空格拆分文本。StandardTokenizer则更常见，它使用空格和标点符号拆分出词项，而且可用于处理网址、电子邮件和缩写词。分词器的定义需要指定Java实现的工厂类。要使用常见的StandardTokenizer，需要指定分词器的类为solr.StandardTokenizerFactory，参考上面的text_general字段。

　　　　在Solr中，因为大多数分词器需要提供参数构造器，所以必须指定为工厂类，而不是底层的分词器实现类。通过使用工厂方法，Solr提供了在XML中定义分词器的标准做法。在后台，每个工厂类知道如何将XML配置属性翻译为构造特定分词器实现类的一个实例。所有分词器会生成词元流，可以使用过滤器进行处理，执行词元的某种转换。

　　3.分词过滤器

　　　　分词过滤器对词元执行以下三种操作中的一种：

　　　　　　1.词元转换

　　　　　　　　改变词元的形式，例如，所有字母小写或词干提取。

　　　　　　2.词元注入

　　　　　　　　向词元流中添加一个词元，例如，同义词过滤器的做法。

　　　　　　3.词元移除

　　　　　　　　删除不需要的词元，例如，停用词过滤器的做法。

　　　　　　过滤器可以同时使用，对词元进行一系列的转换处理。过滤器的顺序很重要，排在前面的过滤器会先起作用。

　　4.StandardTokenizer

　　　　文本分析的第一步是确定如何使用分词器将文本解析为词元流。从StandardTokenizer的使用开始，这个分词器是许多Solr和Lucene项目的首选解决方案，这个分词器使用空格和标点符号来拆分文本。下面我们通过案例来看看这个分词器的作用：

　　　　备注：ST代表StandardTokenizer标准分词器，SF代表StopFilterFactory停止词过滤器，LCF代表LowerCaseFilterFactory转换小写过滤器。

　　5.StopFilterFactory

　　　　Solr进行文本分析时会使用停止词过滤器移除词元流中的停用词，这些停用词对用户查找相关文档几乎没有价值。在索引时移除停用词会有效减少索引大小，提供搜索性能。这样做减少了Solr将要处理的文档数据数量，也减少了对包含停用词的查询进行相关度计算时的词项数量。

　　　　停用词过滤器默认指定了一个英语停用词列表【words="stopwords.txt"】。Solr开箱即用，它提供了基础的停用词列表，在此基础上可以根据需求自定义停用词。一般而言，停止词移除具有语言专属性。不同的语言，停止词一般不同，如果分析德语，就需要一个包含die、ein这样词项的停用词列表。Solr提供多种语言的停用词列表定制文件，它们位于Solr各个内核的conf/lang/目录下。

　　注意：在新版本的solr中，没有使用lang/目录下的停止词配置文件，而是直接使用的当前目录下的stopwords.txt，且其中默认没有配置任何停止词！

　　6.LowerCaseFilterFactory

　　　　LCF将词元的所有字母转换为小写，这样一来，词元的大小写就不会对索引和搜索产生干扰。

　　　　与停用词的情况类似，是否需要对所有词项使用小写转换过滤器有时并不好判断。举例来说，一句话中间的单词首字母大写通常表示一个专有名词。如果用户按照专有名词格式进行搜索，搜索结果的准确性就会有所提升。但对于习惯都是小写搜索的用户来说，这样就不太友好。因此，是否使用停止词要看是看中准确性还是适应性。

四.自定义文本分析字段

　　由于Solr预定义的字段类型无法满足我们的所有需求，因此通过综合使用其它Solr内置文本分析工具来解决这些问题。因此，我们在schema.xml中定义一个新字段类型。在managed-schema.xml的<types>元素下增加text_microblog字段，代码如下：

 <fieldType name="text_microblog" class="solr.TextField" positionIncrementGap="100">
      <analyzer type="index">
          <charFilter class="solr.PatternReplaceCharFilterFactory" pattern="([a-zA-Z])\1+" replacement="$1$1"/>
        <tokenizer class="solr.WhitespaceTokenizerFactory"/>
        <filter class="solr.WordDelimiterFilterFactory" generateWordParts="1" splitOnCaseChange="0" 
            splitOnNumerics="0"
            stemEnglishPossessive="1"
            preserveOriginal="0"
            catenateWords="1"
            generateNumberParts="1"
            catenateNumbers="0"
            catenateAll="0"
            types="wdfftypes.txt"/>
        <filter class="solr.StopFilterFactory" ignoreCase="true" words="stopwords.txt" />
        <filter class="solr.LowerCaseFilterFactory"/>
        <filter class="solr.ASCIIFoldingFilterFactory"/>
        <filter class="solr.KStemFilterFactory"/>
      </analyzer>
      <analyzer type="query">
        <charFilter class="solr.PatternReplaceCharFilterFactory" pattern="([a-zA-Z])\1+" replacement="$1$1"/>
        <tokenizer class="solr.WhitespaceTokenizerFactory"/>
        <filter class="solr.WordDelimiterFilterFactory" generateWordParts="1" splitOnCaseChange="0" 
            splitOnNumerics="0"
            stemEnglishPossessive="1"
            preserveOriginal="0"
            catenateWords="1"
            generateNumberParts="1"
            catenateNumbers="0"
            catenateAll="0"
            types="wdfftypes.txt"/>
        <filter class="solr.LowerCaseFilterFactory"/>
        <filter class="solr.ASCIIFoldingFilterFactory"/>
        <filter class="solr.StopFilterFactory" ignoreCase="true" words="stopwords.txt" />
        <filter class="solr.KStemFilterFactory"/>
        <filter class="solr.SynonymFilterFactory" synonyms="synonyms.txt" ignoreCase="true" expand="true"/>
      </analyzer>
    </fieldType>

　　备注：

　　1.PatternReplaceCharFilterFactory

　　　　在Solr中，传入的字符流在分词处理之前，字符过滤器对其进行预处理。与分词过滤器类似，CharFilters作为过滤链的一环，可以对文本字符进行添加、修改和移除。Solr三个常用的CharFilters如下：

　　　　1.1 solr.MappingCharFilterFactory：使用外部配置文件进行字符替换。

　　　　1.2 solr.PatternReplaceCharFilterFactory：使用正则表达式进行字符替换。

　　　　1.3 solr.HTMLStripCharFilterFactory：从文本中去除HTML标记。

　　2.WordDelimiterFilterFactory

　　　　该过滤器在更高层面上使用各种解析规则，将分词单元变为子词【subwords】。在上面定义的自定义文本分析字段中可知，该过滤器需配置wdfftypes.txt配置文件，这个文件需要自己创建，里面的内容需要根据实际情况进行填写，此处内容为:

　　　　这些设置将-映射到ALPHA类，这意味着WordDelimiterFilter实例就不会把它们作为分隔符。效果如下：

　　　　WordDelimiterFilterFactory的配置选项及解释如下：

　　3.ASCIIFoldingFilterFactory移除变音符号

　　　　<filter class="solr.ASCIIFoldingFilterFactory"/>，最好在小写过滤器之后使用此过滤器，这样只需处理小写字符。ASCIIFoldingFilter仅适用于拉丁字符，其它语种请使用solr.analusis.ICUFoldingFilterFactory，这个工厂方法在Solr3.1之后的版本可用。

　　4.KStemFilterFactory提取词干

　　　　词干提取根据特定语言规则，将词转换为基础词形。Solr提供了许多词干提取过滤器，每种各有优缺点。KStemFilterFactory与PorterStemmer等其它流行的词干提取器相比，这个词干提取器的转换并不是那么激进。这里使用是为了对indexing和querying等这样的词项移除ing。

　　5.SynonymFilterFactory同义词

　　　　在大多数情况下，同义词的添加只用于查询阶段的分析。这样做有助于减少索引的大小，同义词列表的变更维护也更容易一点。另外，还要考虑其在过滤器链中所处的位置，通常最有用的做法是，将这个过滤器作为查询分析器的最后一个，以便使同义词列表可以认为分词单元上的所有其他转换都已经做完。