JAVA 构建多 Index 召回集成架构,实现复杂场景语义增强检索链优化
大家好,今天我们来聊聊如何使用 Java 构建一个多 Index 召回集成架构,并针对复杂场景进行语义增强检索链的优化。 在实际的业务场景中,特别是涉及到电商、内容平台等领域,用户查询的复杂性日益增加,单一的检索策略往往难以满足需求。我们需要结合多种召回策略,并利用语义增强技术来提升检索的准确性和召回率。
一、多 Index 召回架构概述
多 Index 召回架构的核心思想是将数据按照不同的维度或特征进行索引,然后针对用户的查询,并行地从多个索引中召回候选结果,最后进行合并、排序和过滤,得到最终的检索结果。 这种架构的优势在于:
- 提高召回率: 不同的 Index 可以覆盖不同的数据子集,从而提高整体的召回率。
- 灵活适应复杂查询: 可以根据查询的不同特征,选择不同的 Index 进行检索。
- 提高检索效率: 并行检索多个 Index 可以缩短整体的检索时间。
1.1 架构设计
一个典型的多 Index 召回架构包含以下几个核心组件:
- 数据预处理: 对原始数据进行清洗、转换和特征提取,为构建 Index 做好准备。
-
Index 构建: 根据不同的维度或特征,构建多个 Index,例如:
- 全文 Index: 基于文本内容进行索引,支持关键词检索。
- 结构化 Index: 基于结构化数据(例如商品属性)进行索引,支持属性过滤和排序。
- 向量 Index: 基于向量化表示的数据进行索引,支持语义相似度检索。
- 查询解析: 对用户的查询进行解析,提取关键词、属性条件、语义信息等。
- Index 选择: 根据查询的特征,选择合适的 Index 进行检索。
- 并行检索: 并行地从多个 Index 中召回候选结果。
- 结果合并: 将多个 Index 召回的结果进行合并,去除重复项。
- 排序和过滤: 根据相关性、业务规则等对合并后的结果进行排序和过滤。
- 结果返回: 将最终的检索结果返回给用户。
1.2 架构图示
graph LR
A[用户查询] --> B(查询解析);
B --> C{Index 选择};
C --> D[全文 Index];
C --> E[结构化 Index];
C --> F[向量 Index];
D --> G(检索结果1);
E --> H(检索结果2);
F --> I(检索结果3);
G --> J(结果合并);
H --> J;
I --> J;
J --> K(排序和过滤);
K --> L[最终结果];
二、Java 实现多 Index 召回架构
接下来,我们使用 Java 代码来实现一个简单的多 Index 召回架构。这里我们使用 Elasticsearch 作为 Index 的存储引擎。
2.1 依赖引入
首先,我们需要在 Maven 项目中引入 Elasticsearch 的 Java 客户端:
<dependency>
<groupId>org.elasticsearch.client</groupId>
<artifactId>elasticsearch-rest-high-level-client</artifactId>
<version>7.17.6</version>
</dependency>
2.2 数据预处理
假设我们有一个商品数据集,包含以下字段:
| 字段名 | 类型 | 描述 |
|---|---|---|
| id | String | 商品 ID |
| title | String | 商品标题 |
| description | String | 商品描述 |
| category | String | 商品分类 |
| price | Double | 商品价格 |
| attributes | Map<String, Object> | 商品属性(例如颜色、尺寸) |
| embedding | float[] | 标题的向量化表示 |
我们需要对这些数据进行预处理,例如:
- 文本清洗: 去除 HTML 标签、特殊字符等。
- 分词: 将文本内容分割成词语。
- 向量化: 将文本内容转换为向量表示,可以使用 Word2Vec、BERT 等模型。
- 类型转换: 将数据转换为 Elasticsearch 支持的类型。
import org.elasticsearch.common.xcontent.XContentBuilder;
import org.elasticsearch.common.xcontent.XContentFactory;
import java.io.IOException;
import java.util.Map;
public class ProductDocument {
private String id;
private String title;
private String description;
private String category;
private Double price;
private Map<String, Object> attributes;
private float[] embedding;
// Getters and setters
public XContentBuilder toXContent() throws IOException {
XContentBuilder builder = XContentFactory.jsonBuilder();
builder.startObject();
builder.field("id", id);
builder.field("title", title);
builder.field("description", description);
builder.field("category", category);
builder.field("price", price);
builder.field("attributes", attributes);
builder.field("embedding", embedding);
builder.endObject();
return builder;
}
}
2.3 Index 构建
我们构建三个 Index:
product_title_index: 全文 Index,基于商品标题进行索引。product_category_index: 结构化 Index,基于商品分类和价格进行索引。product_embedding_index: 向量 Index,基于商品标题的向量表示进行索引。
import org.elasticsearch.action.admin.indices.create.CreateIndexRequest;
import org.elasticsearch.action.admin.indices.mapping.put.PutMappingRequest;
import org.elasticsearch.client.RequestOptions;
import org.elasticsearch.client.RestHighLevelClient;
import org.elasticsearch.common.settings.Settings;
import org.elasticsearch.common.xcontent.XContentBuilder;
import org.elasticsearch.common.xcontent.XContentFactory;
import org.elasticsearch.index.mapper.MapperService;
import java.io.IOException;
public class IndexCreator {
private final RestHighLevelClient client;
public IndexCreator(RestHighLevelClient client) {
this.client = client;
}
public void createTitleIndex(String indexName) throws IOException {
CreateIndexRequest request = new CreateIndexRequest(indexName);
Settings.Builder settingsBuilder = Settings.builder()
.put("index.number_of_shards", 3)
.put("index.number_of_replicas", 1);
request.settings(settingsBuilder);
XContentBuilder mappingBuilder = XContentFactory.jsonBuilder();
mappingBuilder.startObject();
mappingBuilder.startObject("properties");
mappingBuilder.startObject("title");
mappingBuilder.field("type", "text");
mappingBuilder.field("analyzer", "ik_max_word"); // 使用IK分词器
mappingBuilder.endObject();
mappingBuilder.endObject();
mappingBuilder.endObject();
request.mapping(mappingBuilder);
client.indices().create(request, RequestOptions.DEFAULT);
}
public void createCategoryIndex(String indexName) throws IOException {
CreateIndexRequest request = new CreateIndexRequest(indexName);
Settings.Builder settingsBuilder = Settings.builder()
.put("index.number_of_shards", 3)
.put("index.number_of_replicas", 1);
request.settings(settingsBuilder);
XContentBuilder mappingBuilder = XContentFactory.jsonBuilder();
mappingBuilder.startObject();
mappingBuilder.startObject("properties");
mappingBuilder.startObject("category");
mappingBuilder.field("type", "keyword");
mappingBuilder.endObject();
mappingBuilder.startObject("price");
mappingBuilder.field("type", "double");
mappingBuilder.endObject();
mappingBuilder.endObject();
mappingBuilder.endObject();
request.mapping(mappingBuilder);
client.indices().create(request, RequestOptions.DEFAULT);
}
public void createEmbeddingIndex(String indexName, int dimension) throws IOException {
CreateIndexRequest request = new CreateIndexRequest(indexName);
Settings.Builder settingsBuilder = Settings.builder()
.put("index.number_of_shards", 3)
.put("index.number_of_replicas", 1);
request.settings(settingsBuilder);
XContentBuilder mappingBuilder = XContentFactory.jsonBuilder();
mappingBuilder.startObject();
mappingBuilder.startObject("properties");
mappingBuilder.startObject("embedding");
mappingBuilder.field("type", "dense_vector");
mappingBuilder.field("dims", dimension);
mappingBuilder.field("index", true);
mappingBuilder.field("similarity", "cosine"); // 使用余弦相似度
mappingBuilder.endObject();
mappingBuilder.endObject();
mappingBuilder.endObject();
request.mapping(mappingBuilder);
client.indices().create(request, RequestOptions.DEFAULT);
}
public static void main(String[] args) throws IOException {
RestHighLevelClient client = new RestHighLevelClientBuilder().build(); // 假设已经初始化
IndexCreator creator = new IndexCreator(client);
creator.createTitleIndex("product_title_index");
creator.createCategoryIndex("product_category_index");
creator.createEmbeddingIndex("product_embedding_index", 128); // 假设向量维度为128
client.close();
}
}
2.4 查询解析
查询解析器的作用是将用户的查询转换为 Elasticsearch 的查询语句。
import java.util.HashMap;
import java.util.Map;
public class QueryParser {
public Map<String, Object> parse(String query) {
Map<String, Object> parsedQuery = new HashMap<>();
// 简单的关键词提取
parsedQuery.put("keywords", query);
// 模拟提取分类
if (query.contains("手机")) {
parsedQuery.put("category", "手机");
}
// 模拟提取价格范围 (实际应根据更复杂的逻辑处理)
if (query.contains("1000元")) {
parsedQuery.put("price_range", "0-1000");
}
return parsedQuery;
}
}
2.5 Index 选择
根据查询的特征,选择合适的 Index 进行检索。
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Map;
public class IndexSelector {
public List<String> select(Map<String, Object> parsedQuery) {
List<String> selectedIndices = new ArrayList<>();
// 如果有关键词,选择全文 Index
if (parsedQuery.containsKey("keywords") && parsedQuery.get("keywords") != null && !parsedQuery.get("keywords").toString().isEmpty()) {
selectedIndices.add("product_title_index");
}
// 如果有分类或价格范围,选择结构化 Index
if (parsedQuery.containsKey("category") || parsedQuery.containsKey("price_range")) {
selectedIndices.add("product_category_index");
}
// 总是选择向量 Index,进行语义召回
selectedIndices.add("product_embedding_index");
return selectedIndices;
}
}
2.6 并行检索
并行地从多个 Index 中召回候选结果。
import org.elasticsearch.action.search.SearchRequest;
import org.elasticsearch.action.search.SearchResponse;
import org.elasticsearch.client.RequestOptions;
import org.elasticsearch.client.RestHighLevelClient;
import org.elasticsearch.index.query.BoolQueryBuilder;
import org.elasticsearch.index.query.MatchQueryBuilder;
import org.elasticsearch.index.query.QueryBuilders;
import org.elasticsearch.index.query.RangeQueryBuilder;
import org.elasticsearch.search.SearchHit;
import org.elasticsearch.search.builder.SearchSourceBuilder;
import java.io.IOException;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
public class Searcher {
private final RestHighLevelClient client;
private final ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(3); // 使用线程池
public Searcher(RestHighLevelClient client) {
this.client = client;
}
public CompletableFuture<List<SearchHit>> searchTitleIndex(String keywords) {
return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
SearchRequest searchRequest = new SearchRequest("product_title_index");
SearchSourceBuilder sourceBuilder = new SearchSourceBuilder();
MatchQueryBuilder matchQueryBuilder = QueryBuilders.matchQuery("title", keywords);
sourceBuilder.query(matchQueryBuilder);
searchRequest.source(sourceBuilder);
SearchResponse searchResponse = client.search(searchRequest, RequestOptions.DEFAULT);
List<SearchHit> hits = new ArrayList<>();
for (SearchHit hit : searchResponse.getHits().getHits()) {
hits.add(hit);
}
return hits;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
return new ArrayList<>(); // 处理异常,返回空列表
}
}, executor);
}
public CompletableFuture<List<SearchHit>> searchCategoryIndex(Map<String, Object> parsedQuery) {
return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
SearchRequest searchRequest = new SearchRequest("product_category_index");
SearchSourceBuilder sourceBuilder = new SearchSourceBuilder();
BoolQueryBuilder boolQueryBuilder = QueryBuilders.boolQuery();
if (parsedQuery.containsKey("category")) {
String category = (String) parsedQuery.get("category");
boolQueryBuilder.must(QueryBuilders.termQuery("category", category));
}
if (parsedQuery.containsKey("price_range")) {
String priceRange = (String) parsedQuery.get("price_range");
String[] prices = priceRange.split("-");
double from = Double.parseDouble(prices[0]);
double to = Double.parseDouble(prices[1]);
RangeQueryBuilder rangeQueryBuilder = QueryBuilders.rangeQuery("price").gte(from).lte(to);
boolQueryBuilder.filter(rangeQueryBuilder);
}
sourceBuilder.query(boolQueryBuilder);
searchRequest.source(sourceBuilder);
SearchResponse searchResponse = client.search(searchRequest, RequestOptions.DEFAULT);
List<SearchHit> hits = new ArrayList<>();
for (SearchHit hit : searchResponse.getHits().getHits()) {
hits.add(hit);
}
return hits;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
return new ArrayList<>(); // 处理异常,返回空列表
}
}, executor);
}
public CompletableFuture<List<SearchHit>> searchEmbeddingIndex(String keywords) {
return CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
try {
// 获取查询语句的 embedding 向量
float[] queryVector = getEmbeddingVector(keywords);
SearchRequest searchRequest = new SearchRequest("product_embedding_index");
SearchSourceBuilder sourceBuilder = new SearchSourceBuilder();
// 使用 Elasticsearch 的 knn 搜索
Map<String, Object> knn = new HashMap<>();
knn.put("field", "embedding");
knn.put("k", 10);
knn.put("num_candidates", 100);
knn.put("query_vector", queryVector);
sourceBuilder.knnQuery(knn);
searchRequest.source(sourceBuilder);
SearchResponse searchResponse = client.search(searchRequest, RequestOptions.DEFAULT);
List<SearchHit> hits = new ArrayList<>();
for (SearchHit hit : searchResponse.getHits().getHits()) {
hits.add(hit);
}
return hits;
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
return new ArrayList<>(); // 处理异常,返回空列表
}
}, executor);
}
// 模拟获取 embedding 向量的方法 (实际应调用 embedding 模型)
private float[] getEmbeddingVector(String text) {
// 假设向量维度为128
float[] vector = new float[128];
for (int i = 0; i < 128; i++) {
vector[i] = (float) Math.random(); // 随机生成向量
}
return vector;
}
}
2.7 结果合并、排序和过滤
将多个 Index 召回的结果进行合并、排序和过滤,得到最终的检索结果。
import org.elasticsearch.search.SearchHit;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Comparator;
import java.util.HashSet;
import java.util.List;
import java.util.Set;
public class ResultMerger {
public List<SearchHit> merge(List<List<SearchHit>> results) {
Set<String> seenIds = new HashSet<>();
List<SearchHit> mergedResults = new ArrayList<>();
for (List<SearchHit> resultList : results) {
for (SearchHit hit : resultList) {
String id = hit.getId(); // Assuming documents have an "id" field.
if (!seenIds.contains(id)) {
mergedResults.add(hit);
seenIds.add(id);
}
}
}
// Sort by score (descending).
mergedResults.sort(Comparator.comparing(SearchHit::getScore).reversed());
// Apply business rules for filtering (example: filter out items with price > 1000).
mergedResults.removeIf(hit -> {
Map<String, Object> source = hit.getSourceAsMap();
if (source.containsKey("price")) {
double price = (double) source.get("price");
return price > 1000;
}
return false;
});
return mergedResults;
}
}
2.8 完整检索流程
import org.elasticsearch.client.RestHighLevelClient;
import org.elasticsearch.search.SearchHit;
import java.util.List;
import java.util.Map;
import java.util.concurrent.CompletableFuture;
import java.util.concurrent.ExecutionException;
import java.util.stream.Collectors;
public class SearchService {
private final QueryParser queryParser = new QueryParser();
private final IndexSelector indexSelector = new IndexSelector();
private final Searcher searcher;
private final ResultMerger resultMerger = new ResultMerger();
public SearchService(RestHighLevelClient client) {
this.searcher = new Searcher(client);
}
public List<SearchHit> search(String query) throws ExecutionException, InterruptedException {
// 1. 查询解析
Map<String, Object> parsedQuery = queryParser.parse(query);
// 2. Index 选择
List<String> selectedIndices = indexSelector.select(parsedQuery);
// 3. 并行检索
List<CompletableFuture<List<SearchHit>>> futures = selectedIndices.stream().map(indexName -> {
if (indexName.equals("product_title_index")) {
return searcher.searchTitleIndex((String) parsedQuery.get("keywords"));
} else if (indexName.equals("product_category_index")) {
return searcher.searchCategoryIndex(parsedQuery);
} else if (indexName.equals("product_embedding_index")) {
return searcher.searchEmbeddingIndex((String) parsedQuery.get("keywords"));
} else {
return CompletableFuture.completedFuture(List.of()); // 处理未知 Index
}
}).collect(Collectors.toList());
CompletableFuture.allOf(futures.toArray(new CompletableFuture[0])).join(); // 等待所有任务完成
// 4. 结果合并
List<List<SearchHit>> results = futures.stream().map(future -> {
try {
return future.get();
} catch (InterruptedException | ExecutionException e) {
e.printStackTrace();
return List.of(); // 处理异常,返回空列表
}
}).collect(Collectors.toList());
// 5. 排序和过滤
return resultMerger.merge(results);
}
public static void main(String[] args) throws ExecutionException, InterruptedException {
RestHighLevelClient client = new RestHighLevelClientBuilder().build(); // 假设已经初始化
SearchService searchService = new SearchService(client);
List<SearchHit> results = searchService.search("新款手机 1000元");
System.out.println("查询结果数量:" + results.size());
client.close();
}
}
三、语义增强检索链优化
为了提高检索的准确性和召回率,我们可以使用语义增强技术来优化检索链。
3.1 Query 理解和改写
- Query 意图识别: 分析用户的查询意图,例如是想购买商品、查找信息还是进行导航。
- Query 纠错: 自动纠正用户输入的错误拼写或语法。
- Query 扩展: 将用户的查询扩展为更丰富的语义表达,例如使用同义词、近义词、上位词等。
3.2 语义相似度计算
使用 Word2Vec、BERT 等模型计算文本的语义相似度,例如:
- 计算查询和文档的语义相似度: 将查询和文档都转换为向量表示,然后计算它们的余弦相似度或点积。
- 计算查询和属性值的语义相似度: 将查询和属性值都转换为向量表示,然后计算它们的相似度,用于属性过滤。
3.3 个性化推荐
根据用户的历史行为、兴趣偏好等信息,对检索结果进行个性化排序和推荐。
四、性能优化
- Index 优化: 合理设置 Index 的分片数、副本数、刷新间隔等参数。
- 查询优化: 避免使用复杂的查询语句,尽量使用缓存。
- 缓存: 对热点数据进行缓存,减少对 Index 的访问。
- 并发: 使用多线程或异步编程来提高检索的并发能力。
五、代码示例:使用 BERT 进行语义相似度计算
这里我们使用 Hugging Face 的 Transformers 库来加载 BERT 模型,并计算查询和文档的语义相似度。
import ai.djl.ModelException;
import ai.djl.inference.Predictor;
import ai.djl.repository.zoo.Criteria;
import ai.djl.repository.zoo.ZooModel;
import ai.djl.translate.TranslateException;
import ai.djl.util.Pair;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import java.io.IOException;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
public class BertSimilarity {
private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(BertSimilarity.class);
private Predictor<String[], float[]> predictor;
public BertSimilarity() throws ModelException, IOException {
Criteria<String[], float[]> criteria = Criteria.builder()
.setTypes(String[].class, float[].class)
.optModelUrls("djl://ai.djl.huggingface.pytorch/sentence-transformers/all-MiniLM-L6-v2") // 使用轻量级模型
.optTranslatorFactory(new SentenceEmbeddingTranslatorFactory())
.optEngine("PyTorch") // 或者 "TensorFlow"
.build();
ZooModel<String[], float[]> model = criteria.loadModel();
this.predictor = model.newPredictor();
}
public double calculateSimilarity(String text1, String text2) throws TranslateException {
float[] embedding1 = predictor.predict(new String[]{text1});
float[] embedding2 = predictor.predict(new String[]{text2});
return cosineSimilarity(embedding1, embedding2);
}
private double cosineSimilarity(float[] vectorA, float[] vectorB) {
double dotProduct = 0.0;
double normA = 0.0;
double normB = 0.0;
for (int i = 0; i < vectorA.length; i++) {
dotProduct += vectorA[i] * vectorB[i];
normA += Math.pow(vectorA[i], 2);
normB += Math.pow(vectorB[i], 2);
}
return dotProduct / (Math.sqrt(normA) * Math.sqrt(normB));
}
public static void main(String[] args) throws ModelException, IOException, TranslateException {
BertSimilarity bertSimilarity = new BertSimilarity();
String text1 = "新款 手机";
String text2 = "智能 手机 最新 款式";
double similarity = bertSimilarity.calculateSimilarity(text1, text2);
System.out.println("Similarity between "" + text1 + "" and "" + text2 + "" is: " + similarity);
}
// 翻译器类,用于处理模型输入输出
static class SentenceEmbeddingTranslatorFactory implements ai.djl.translate.TranslatorFactory {
@Override
public ai.djl.translate.Translator<String[], float[]> newInstance(ai.djl.Model model, ai.djl.repository.zoo.ModelZoo.ModelLoadingContext context) {
return new SentenceEmbeddingTranslator();
}
}
static class SentenceEmbeddingTranslator implements ai.djl.translate.Translator<String[], float[]> {
@Override
public ai.djl.ndarray.NDList processInput(ai.djl.translate.TranslatorContext ctx, String[] input) {
ai.djl.ndarray.NDManager manager = ctx.getNDManager();
long[] shape = {1, input.length}; // batch size 1
ai.djl.ndarray.NDArray ndArray = manager.create(input).reshape(shape);
return new ai.djl.ndarray.NDList(ndArray);
}
@Override
public float[] processOutput(ai.djl.translate.TranslatorContext ctx, ai.djl.ndarray.NDList list) {
ai.djl.ndarray.NDArray ndArray = list.get(0);
float[] result = ndArray.toFloatArray();
return result;
}
@Override
public ai.djl.translate.Batchifier getBatchifier() {
return null;
}
}
}
请注意,你需要添加 DJL(Deep Java Library) 的依赖到你的项目中:
<dependency>
<groupId>ai.djl</groupId>
<artifactId>api</artifactId>
<version>0.23.0</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>ai.djl.pytorch</groupId>
<artifactId>pytorch-engine</artifactId>
<version>0.23.0</version>
<scope>runtime</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>ai.djl.basicdataset</groupId>
<artifactId>basicdataset</artifactId>
<version>0.23.0</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.slf4j</groupId>
<artifactId>slf4j-api</artifactId>
<version>1.7.36</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.slf4j</groupId>
<artifactId>slf4j-simple</artifactId>
<version>1.7.36</version>
</dependency>
这段代码使用了一个轻量级的 BERT 模型 all-MiniLM-L6-v2,因为它速度快,而且效果也不错。你也可以尝试其他模型。
六、总结
本文介绍了如何使用 Java 构建一个多 Index 召回集成架构,并针对复杂场景进行语义增强检索链的优化。通过合理地选择 Index、并行检索、结果合并、排序和过滤,以及使用语义增强技术,可以有效地提高检索的准确性和召回率。 随着业务的不断发展,我们可以不断地优化和完善这个架构,以满足不断变化的需求。
七、一些关键点的概括
- 数据预处理和索引构建是基础,为后续的检索提供数据支持。
- 查询解析和 Index 选择是核心,决定了使用哪些 Index 进行检索。
- 并行检索和结果合并是关键,提高了检索的效率和召回率。
- 语义增强是亮点,可以提高检索的准确性和用户体验。