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Python實戰之手寫一個搜索引擎

一、前言

這篇文章，我們將會嘗試從零搭建一個簡單的新聞搜索引擎

當然，一個完整的搜索引擎十分復雜，這里我們只介紹其中最為核心的幾個模塊

分別是數據模塊、排序模塊和搜索模塊，下面我們會逐一講解，這里先從宏觀上看一下它們之間的工作流程

二、工作流程

三、數據模塊

數據模塊的主要作用是爬取網絡上的數據，然后對數據進行清洗并保存到本地存儲

一般來說，數據模塊會采用非定向爬蟲技術廣泛爬取網絡上的數據，以保證充足的數據源

但是由于本文只是演示，所以這里我們僅會采取定向爬蟲爬取中國社會科學網上的部分文章素材

而且因為爬蟲技術我們之前已經講過很多，這里就不打算細講，只是簡單說明一下流程

首先我們定義一個數據模塊類，名為 DataLoader，類中有一個核心變量 data 用于保存爬取下來的數據

以及兩個相關的接口 grab_data (爬取數據) 和 save_data (保存數據到本地)

grab_data() 的核心邏輯如下：

1.首先調用 get_entry()，獲取入口鏈接

def get_entry(self):
    baseurl = 'http://his.cssn.cn/lsx/sjls/'
    entries = []
    for idx in range(5):
        entry = baseurl if idx == 0 else baseurl + 'index_' + str(idx) + '.shtml'
        entries.append(entry)
    return entries

2.然后調用 parse4links()，遍歷入口鏈接，解析得到文章鏈接

def parse4links(self, entries):
    links = []
    headers = {
        'USER-AGENT': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/67.0.3396.99 Safari/537.36'
    }
    for entry in entries:
        try:
            response = requests.get(url = entry, headers = headers)
            html = response.text.encode(response.encoding).decode('utf-8')
            time.sleep(0.5)
        except:
            continue

        html_parser = etree.HTML(html)
        link = html_parser.xpath('//div[@class="ImageListView"]/ol/li/a/@href')
        link_filtered = [url for url in link if 'www' not in url]
        link_complete = [entry + url.lstrip('./') for url in link_filtered]
        links.extend(link_complete)

    return links

3.接著調用 parse4datas()，遍歷文章鏈接，解析得到文章內容

def parse4datas(self, entries):
    datas = []
    headers = {
        'USER-AGENT': 'Mozilla/5.0 (Windows NT 10.0; WOW64) AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko) Chrome/67.0.3396.99 Safari/537.36'
    }
    data_count = 0
    for entry in entries:
        try:
            response = requests.get(url = entry, headers = headers)
            html = response.text.encode(response.encoding).decode('utf-8')
            time.sleep(0.2)
        except:
            continue

        html_parser = etree.HTML(html)
        title = html_parser.xpath('//span[@class="TitleFont"]/text()')
        content = html_parser.xpath('//div[@class="TRS_Editor"]//p//text()')
        content = [cont.replace('\u3000', '').replace('\xa0', '').replace('\n', '').replace('\t', '') for cont in content]
        content = [cont for cont in content if len(cont) > 30 and not re.search(r'[《|》]', cont)]

        if len(title) != 0 or len(content) != 0:
            data_count += 1
            datas.append({
                'id'  : data_count,
                'link': entry,
                'cont': '\t'.join(content),
                'title': title[0]
            })

    return datas

grab_data() 的核心代碼如下：

def grab_data(self):
    # 獲取入口鏈接
    entries = self.get_entry()
    # 遍歷入口鏈接，解析得到文章鏈接
    links = self.parse4links(entries)
    # 遍歷文章鏈接，解析得到文章內容
    datas = self.parse4datas(links)
    # 將相關數據寫入變量 data
    self.data = pd.DataFrame(datas)

save_data() 的核心代碼如下：

def save_data(self):
    # 將變量 data 寫入 csv 文件
    self.data.to_csv(self.data_path, index = None)

至此，我們已經爬取并保存好數據 data，數據以 DataFrame 形式存儲，保存在 csv 文件，格式如下：

|---------------------------------------------------|
|    id    |     link   |     cont     |    title   |
|---------------------------------------------------|
|  page id |  page link | page content | page title |
|---------------------------------------------------|
|  ......  |   ......   |    ......    |   ......   |
|---------------------------------------------------|

四、索引模塊

索引模型的主要作用是構建倒排索引 (inverted index)，這是搜索引擎中十分關鍵的一環

一般來說，構建索引的目的就是為了提高查詢速度

普通的索引一般是通過文章標識索引文章內容，而倒排索引則正好相反，通過文章內容索引文章標識

具體來說，倒排索引會以文章中出現過的詞語作為鍵，以該詞所在的文章標識作為值來構建索引

首先我們定義一個索引模塊類，名為 IndexModel，類中有一個核心變量 iindex 用于保存倒排索引

以及兩個相關的接口 make_iindex (構建索引) 和 save_iindex (保存索引到本地)

make_iindex() 的核心代碼如下（具體邏輯請參考注釋）：

def make_iindex(self):
    # 讀取數據
    df = pd.read_csv(self.data_path)
    # 特殊變量，用于搜索模塊
    TOTAL_DOC_NUM = 0 # 總文章數量
    TOTAL_DOC_LEN = 0 # 總文章長度
    # 遍歷每一行
    for row in df.itertuples():
        doc_id = getattr(row, 'id') # 文章標識
        cont = getattr(row, 'cont') # 文章內容

        TOTAL_DOC_NUM += 1
        TOTAL_DOC_LEN += len(cont)

        # 對文章內容分詞
        # 并將其變成 {word: frequency, ...} 的形式
        cuts = jieba.lcut_for_search(cont)
        word2freq = self.format(cuts)

        # 遍歷每個詞，將相關數據寫入變量 iindex
        for word in word2freq:
            meta = {
                'id': doc_id,
                'dl': len(word2freq),
                'tf': word2freq[word]
            }
            if word in self.iindex:
                self.iindex[word]['df'] = self.iindex[word]['df'] + 1
                self.iindex[word]['ds'].append(meta)
            else:
                self.iindex[word] = {}
                self.iindex[word]['df'] = 1
                self.iindex[word]['ds'] = []
                self.iindex[word]['ds'].append(meta)

    # 將特殊變量寫入配置文件
    self.config.set('DATA', 'TOTAL_DOC_NUM', str(TOTAL_DOC_NUM)) # 文章總數
    self.config.set('DATA', 'AVG_DOC_LEN', str(TOTAL_DOC_LEN / TOTAL_DOC_NUM)) # 文章平均長度
    with open(self.option['filepath'], 'w', encoding = self.option['encoding']) as config_file:
        self.config.write(config_file)

save_iindex() 的核心代碼如下：

def save_iindex(self):
    # 將變量 iindex 寫入 json 文件
    fd = open(self.iindex_path, 'w', encoding = 'utf-8')
    json.dump(self.iindex, fd, ensure_ascii = False)
    fd.close()

至此，我們們經構建并保存好索引 iindex，數據以 JSON 形式存儲，保存在 json 文件，格式如下：

{
    word: {
        'df': document_frequency,
        'ds': [{
            'id': document_id,
            'dl': document_length,
            'tf': term_frequency
        }, ...]
    },
    ...
}

五、搜索模塊

在得到原始數據和構建好倒排索引后，我們就可以根據用戶的輸入查找相關的內容

具體怎么做呢？

1.首先我們對用戶的輸入進行分詞

2.然后根據倒排索引獲取每一個詞相關的文章

3.最后計算每一個詞與相關文章之間的得分，得分越高，說明相關性越大

這里我們定義一個搜索模塊類，名為 SearchEngine，類中有一個核心函數 search 用于查詢搜索

def search(self, query):
    BM25_scores = {}

    # 對用戶輸入分詞
    # 并將其變成 {word: frequency, ...} 的形式
    query = jieba.lcut_for_search(query)
    word2freq = self.format(query)

    # 遍歷每個詞
    # 計算每個詞與相關文章之間的得分（計算公式參考 BM25 算法）
    for word in word2freq:
        data = self.iindex.get(word)
        if not data:
            continue
        BM25_score = 0
        qf = word2freq[word]
        df = data['df']
        ds = data['ds']
        W = math.log((self.N - df + 0.5) / (df + 0.5))
        for doc in ds:
            doc_id = doc['id']
            tf = doc['tf']
            dl = doc['dl']
            K = self.k1 * (1 - self.b + self.b * (dl / self.AVGDL))
            R = (tf * (self.k1 + 1) / (tf + K)) * (qf * (self.k2 + 1) / (qf + self.k2))
            BM25_score = W * R
            BM25_scores[doc_id] = BM25_scores[doc_id] + BM25_score if doc_id in BM25_scores else BM25_score

    # 對所有得分按從大到小的順序排列，返回結果
    BM25_scores = sorted(BM25_scores.items(), key = lambda item: item[1])
    BM25_scores.reverse()
    return BM25_scores

到此這篇關于Python實戰之手寫一個搜索引擎的文章就介紹到這了,更多相關Python寫搜索引擎內容請搜索腳本之家以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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