每日学习一个数据结构-FST数据结构与算法

FST（Finite State Transducers，有限状态转换器）是一种高效的数据结构，它在计算机科学中特别是在文本处理、搜索引擎、自然语言处理等领域有着广泛的应用。以下是对FST数据结构与算法的详细解析：

一、FST数据结构概述

1. 定义与特性

定义：FST是一种有限状态机（FSM）的扩展，它不仅表示状态之间的转换，还能够在转换过程中携带额外的信息（即输出或值）。
特性：
确定性：在任何给定状态下，对于任何输入，最多只能遍历一个转换。
非循环：不可能重复遍历同一个状态。
转化器：具有相关的值（payload），final节点会输出一个值。

2. 与其他数据结构的比较

相对于Trie树，FST在存储大量字符串时能够显著减少空间占用，因为FST通过复用前缀和后缀来压缩数据。
相对于HashMap，FST的查询速度稍慢，但内存消耗要小得多。

二、FST的构建过程

1. 基本概念

• 节点（Node）：代表状态，可以存储额外的信息如是否已编译等。
• 边（Arc）：表示状态之间的转换，包含标签（label，即输入的字符）、目标节点（target，即转换后的状态）以及可能的输出值（output）和标志位（flags）。

2. 插入过程

• 输入的字符串按字典序排序。
• 对于每个字符串，从根节点开始，按照字符串中的字符逐个遍历或创建节点和边。
• 如果遇到已存在的前缀，则在该前缀对应的节点上继续构建剩余部分。
• 最终，每个字符串的最后一个字符对应的边指向一个final节点，该节点包含与字符串相关联的值（如果有的话）。

三、FST的查询过程

1. 基本步骤

从根节点开始，根据查询字符串中的字符逐个遍历节点和边。
如果在某个节点上找不到与当前字符匹配的边，则查询失败。
如果成功遍历完整个查询字符串并到达一个final节点，则查询成功，并可以获取与该节点相关联的值（如果有的话）。

2. 优化技术

二分查找：在Term Dictionary中使用二分查找技术来快速定位term。
前缀树（Trie）优化：通过构建前缀树来加速term的查找过程。然而，由于前缀树可能占用大量空间，因此通常使用FST来进一步压缩前缀树。

四、FST在Elasticsearch和Lucene中的应用

1. Elasticsearch

Elasticsearch是一个基于Lucene的分布式搜索和分析引擎。
Elasticsearch底层使用Lucene来构建倒排索引，而Lucene从4版本开始大量使用FST来优化倒排索引的存储和查询性能。

2. Lucene

Lucene是一个开源的全文搜索引擎工具包。
Lucene中的FST主要用于存储倒排索引中的term index，通过压缩term index来减少内存占用并提高查询速度。

五、总结

FST是一种高效的数据结构，它通过复用前缀和后缀来压缩存储空间，并通过确定性的状态转换来加速查询过程。在Elasticsearch和Lucene等搜索引擎中，FST被广泛应用于倒排索引的存储和查询优化中，以提高搜索性能并减少内存消耗。