AIGC：【LLM（五）】——Faiss：高效的大规模相似度检索库

一.简介

1.1 什么是Faiss

Faiss的全称是Facebook AI Similarity Search，是Facebook的AI团队针对大规模相似度检索问题开发的一个工具，使用C++编写，有python接口，对10亿量级的索引可以做到毫秒级检索的性能。
简单来说，Faiss的工作就是把我们自己的候选向量集封装成一个index数据库，它可以加速我们检索相似向量top-K的过程，其中有些索引还支持GPU构建。

1.2 Faiss的安装

## cpu版
$ conda install -c pytorch faiss-cpu
## gpu版
$ conda install -c pytorch faiss-gpu

二.Faiss检索流程

2.1 构建向量库

这一部分就是将我们已有的数据转成向量库。

import numpy as np
d = 64                                           # 向量维度
nb = 100000                                      # index向量库的数据量
nq = 10000                                       # 待检索query的数目
np.random.seed(1234)             
xb = np.random.random((nb, d)).astype('float32')
xb[:, 0] += np.arange(nb) / 1000.                # index向量库的向量
xq = np.random.random((nq, d)).astype('float32')
xq[:, 0] += np.arange(nq) / 1000.                # 待检索的query向量

2.2 构建索引

用faiss 构建index，并将向量添加到index中。这里我们选用暴力检索的方法FlatL2，L2代表构建的index采用的相似度度量方法为L2范数，即欧氏距离。

import faiss          
index = faiss.IndexFlatL2(d)             
print(index.is_trained)         # 输出为True，代表该类index不需要训练，只需要add向量进去即可
index.add(xb)                   # 将向量库中的向量加入到index中
print(index.ntotal)             # 输出index中包含的向量总数，为100000 

2.3 top-k检索

检索与query最相似的top-k。

k = 4                     # topK的K值
D, I = index.search(xq, k)# xq为待检索向量，返回的I为每个待检索query最相似TopK的索引list，D为其对应的距离
print(I[:5])
print(D[-5:])

三.Faiss构建索引的多种方式

构建index方法和传参方法可以为：

dim, measure = 64, faiss.METRIC_L2
param = 'Flat'
index = faiss.index_factory(dim, param, measure)

• dim为向量维数
• 最重要的是param参数，它是传入index的参数，代表需要构建什么类型的索引；
• measure为度量方法，目前支持两种，欧氏距离和inner product，即内积。因此，要计算余弦相似度，只需要将vecs归一化后，使用内积度量即可。

此外，Faiss官方支持八种度量方式，分别是：
1）METRIC_INNER_PRODUCT（内积）
2）METRIC_L1（曼哈顿距离）
3）METRIC_L2（欧氏距离）
4）METRIC_Linf（无穷范数）
5）METRIC_Lp（p范数）
6）METRIC_BrayCurtis（BC相异度）
7）METRIC_Canberra（兰氏距离/堪培拉距离）
8）METRIC_JensenShannon（JS散度）

3.1 Flat ：暴力检索

• 优点：该方法是Faiss所有index中最准确的，召回率最高的方法，没有之一；
• 缺点：速度慢，占内存大。
• 使用情况：向量候选集很少，在50万以内，并且内存不紧张。
• Ps：虽然都是暴力检索，faiss的暴力检索速度比一般程序猿自己写的暴力检索要快上不少，所以并不代表其无用武之地，建议有暴力检索需求的同学还是用下faiss。
• 构建方法：

dim, measure = 64, faiss.METRIC_L2
param = 'Flat'
index = faiss.index_factory(dim, param, measure)
index.is_trained                                   # 输出为True
index.add(xb)                                      # 向index中添加向量

3.2 IVFx Flat ：倒排暴力检索

• 优点：IVF主要利用倒排的思想，在文档检索场景下的倒排技术是指，一个kw后面挂上很多个包含该词的doc，由于kw数量远远小于doc，因此会大大减少了检索的时间。在向量中如何使用倒排呢？可以拿出每个聚类中心下的向量ID，每个中心ID后面挂上一堆非中心向量，每次查询向量的时候找到最近的几个中心ID，分别搜索这几个中心下的非中心向量。通过减小搜索范围，提升搜索效率。
• 缺点：速度也还不是很快。
• 使用情况：相比Flat会大大增加检索的速度，建议百万级别向量可以使用。
• 参数：IVFx中的x是k-means聚类中心的个数
• 构建方法：

dim, measure = 64, faiss.METRIC_L2 
param = 'IVF100,Flat'                           # 代表k-means聚类中心为100,   
index = faiss.index_factory(dim, param, measure)
print(index.is_trained)                          # 此时输出为False，因为倒排索引需要训练k-means，
index.train(xb)                                  # 因此需要先训练index，再add向量
index.add(xb)

3.3 IVFxPQy 倒排乘积量化

• 优点：工业界大量使用此方法，各项指标都均可以接受，利用乘积量化的方法，改进了IVF的k-means，将一个向量的维度切成x段，每段分别进行k-means再检索。
• 缺点：集百家之长，自然也集百家之短
• 使用情况：一般来说，各方面没啥特殊的极端要求的话，最推荐使用该方法！
• 参数：IVFx，PQy，其中的x和y同上
• 构建方法：

dim, measure = 64, faiss.METRIC_L2  
param =  'IVF100,PQ16'
index = faiss.index_factory(dim, param, measure) 
print(index.is_trained)                          # 此时输出为False，因为倒排索引需要训练k-means， 
index.train(xb)                                  # 因此需要先训练index，再add向量 index.add(xb)
index.add(xb)

3.4 LSH 局部敏感哈希

• 原理：哈希对大家再熟悉不过，向量也可以采用哈希来加速查找，我们这里说的哈希指的是局部敏感哈希（Locality Sensitive Hashing，LSH），不同于传统哈希尽量不产生碰撞，局部敏感哈希依赖碰撞来查找近邻。高维空间的两点若距离很近，那么设计一种哈希函数对这两点进行哈希计算后分桶，使得他们哈希分桶值有很大的概率是一样的，若两点之间的距离较远，则他们哈希分桶值相同的概率会很小。
• 优点：训练非常快，支持分批导入，index占内存很小，检索也比较快
• 缺点：召回率非常拉垮。
• 使用情况：候选向量库非常大，离线检索，内存资源比较稀缺的情况
• 构建方法：

dim, measure = 64, faiss.METRIC_L2  
param =  'LSH'
index = faiss.index_factory(dim, param, measure) 
print(index.is_trained)                          # 此时输出为True
index.train(xb) 
index.add(xb)

3.5 HNSWx

• 优点：该方法为基于图检索的改进方法，检索速度极快，10亿级别秒出检索结果，而且召回率几乎可以媲美Flat，最高能达到惊人的97%。检索的时间复杂度为loglogn，几乎可以无视候选向量的量级了。并且支持分批导入，极其适合线上任务，毫秒级别体验。
• 缺点：构建索引极慢，占用内存极大（是Faiss中最大的，大于原向量占用的内存大小）
• 参数：HNSWx中的x为构建图时每个点最多连接多少个节点，x越大，构图越复杂，查询越精确，当然构建index时间也就越慢，x取4~64中的任何一个整数。
• 使用情况：不在乎内存，并且有充裕的时间来构建index
• 构建方法：

dim, measure = 64, faiss.METRIC_L2   
param =  'HNSW64' 
index = faiss.index_factory(dim, param, measure)  
print(index.is_trained)                          # 此时输出为True 
index.add(xb)