索引文件之dim&&dii

  从Lucene6.0开始出现点数据（Point Value）的概念，通过将多维度的点数据生成KD-tree结构，来实现快速的单维度的范围查询（比如 IntPoint.newRangeQuery）以及N dimesional shape intersection filtering。

  索引文件.dim中的数据结构由一系列的block组成，在内存中展现为一颗满二叉树(单维度可能不是，这块内容会在介绍数值类型的范围查询时候介绍)，并且叶子节点描述了所有的点数据。

  阅读本文章之前，必须先了解多维度的点数据是如何生成一个满二叉树，否则难以理解文章中的一些名词概念，而在本文中不会赘述这些名词。在Bkd-Tree中介绍了生成树的过程，请务必先看这篇文章。

  索引结构的主要逻辑在下面的Java文件中，关键逻辑都加以了注释：https://github.com/luxugang/Lucene-7.5.0/blob/master/solr-7.5.0/lucene/core/src/java/org/apache/lucene/util/bkd/BKDWriter.java。

  另外索引文件.dim、dii的生成过程见系列文章索引文件的生成（八）之dim&&dii。

dim文件的数据结构

图1：

  上图中是单个域的.dim文件数据结构，下图为存在多个域的数据结构图。

图2：

LeafNodeData

  当所有的点数据生成一颗满二叉树后，点数据会被分布到不同的叶子节点上，而LeafNodeData正是描述了一个叶子节点上的点数据的相关信息。

图3：

Count

  当前叶子节点中有多少个点数据。

DocIds

  当前叶子节点中的点数据所属文档（document）的文档号。

  根据文档号的大小以及在叶子节点中的排序，其数据结构也各有不同，其最终目的还是尽可能的减少空间存储。

文档号有序

  叶子节点中的点数据是按照某个维度排序的，如果排序后的点数据对应的文档号正好也是有序的，那么会使用下面的数据结构。

图4：

固定值：0

  这是一个标志位，在读取阶段可以知道当前叶子节点中的点数据对应的文档号是有序的。

DeltaDocId

  由于文档号是有序的，所以实际存储是当前文档号都是与前一个文档号的差值，并且使用VInt存储，使得最好情况下只要1个字节就可以存储一个文档号。

文档号无序

  在文档号无序的前提下，先计算出最大的文档号$DocId~max$可以最少用多少个字节表示。如果$DocId~max$ ≤ 0xffffff，那么使用3个字节存储每一个文档号（图5），否则使用4个字节存储（图6）。

图5：

固定值：24

  这是一个标志位，在读取阶段可以知道当前叶子节点中的点数据对应的文档号是无序的，并且每一个文档号占用固定3个字节。

DocId高2个字节、DocId低1个字节

  由于使用固定3个字节存储一个文档号，所以高2个字节用short类型存储，低1个字节用byte字节存储。

图6：

固定值：32

  这是一个标志位，在读取阶段可以知道当前叶子节点中的点数据对应的文档号是无序的，并且每一个文档号占用4个字节。

DocId

  注意这里与图4中的DocId的区别，图6中使用的是int类型存储，而图4中使用的是VInt。

PointValues

  当前叶子节点中的点数据。

图7：

commonPrefixes

图8：

Length

  计算出所有点数据的某个维度值的相同前缀的长度。

Value

  前缀值。

BlockPackedValues

  BlockPackedValues中存储了叶子节点中每个点数据的每个维度的值。

  如果叶子节点中的点数据都是一样的，那么数据结构如下：

图9：

固定值 -1

  这是一个标志位，在读取阶段可以知道当前叶子节点中的点数据都是一样的， 并且点数据的值可以根据commonPrefixes的数据获得。

图10：

ActualBounds

图11：

  ActualBounds保存了当前叶子节点中每一种维度的最大值跟最小值，并且只保存后缀值，在读取阶段通过跟commonPrefixes就可以拼出原始值。

SortedDim

  叶子节点中的点数据是有序，选取其中一个维度作为排序规则，这个维度就是SortedDim。

PackedValues

图12：

  由于叶子节点中的是按照点数据的SortedDim维度排序的，源码中采取了一种方式，目的是为了能尽可能的减少空间存储。这种方式就是：遍历SortedDim维度的值，比如当前遍历到第n个维度值，然后跟第n + 1个维度值比较一个字节，判断这两个字节是否相同，如果是相同的，那么这两个维度值是属于同一个PackedValuesRange(图12)的，而这个字节就是SortedDim维度的所有维度值的相同前缀的下一个字节，并且这个字节就是图12中的PrefixByte。

PackedValuesRange、PrefixByte、RunLen、PackedValue

  同一个PackedValuesRange中的点数据，它们不但拥有commonPrefixes中的SortedDim维度的长度为Length的相同前缀Value，而且还拥有一个额外的字节PrefixByte也是相同的，并且这个PrefixByte是SortedDim维度的所有维度值的相同前缀的下一个字节。

图13：

  在图13中，假设一个叶子节点只有4个点数据，并且维度0为SortedDim，那么4个点数据按照SortedDim进行排序，并且生成3个PackedValuesRange：

• 点数据(2,4)为第一个PackedValuesRange
• 点数据(3，8)和点数据(3，2)为第二个PackedValuesRange
• 点数据(4，7)为第三个PackedValuesRange。

  RunLen的值描述了PackedValuesRange中的点数据个数，对于第二个PackedValuesRange，RunLen的值为2，同时PrefixByte的值为3。

  PackedValue即存储了某个PackedValuesRange中的所有点数据的所有维度值，当然维度值只存储后缀值。

BDK

图14：

NumDims

  点数据的维度个数。

CountPerLeaf

  每个叶子节点中的点数据数量。

BytesPerDim

  数值类型转化为字节的数量。

NumLeaves

  满二叉树中的叶子节点的数量。

MinPackedValue

  MinPackedValue中的每个维度的值都是所在维度的最小值。

MaxPackedValue

  MinPackedValue中的每个维度的值都是所在维度的最大值。

PointCount

  当前域中的点数据的数量。

DocCount

  包含当前域中的点数据域的文档数量。
一篇文档中可以包含多个相同域名的点数据域，但是DocCount的计数为1。

PackedIndex

  PackedIndex存放了非叶节点的信息。

图15：

Length

  用来描述PackedIndexValue的长度，在读取阶段用来确定从.dim文件读取的数据区间。

PackedIndexValue

  PackedIndexValue中保存了所有非叶节点的信息。

  非叶节点的信息根据它的子树是否为叶子节点有着不同的数据结构，为了便于描述，根据不用的类型给予对应的字段名：

• 非叶节点的子树是叶子节点，并且它是父节点的左子树：LeftSubtreeHasLeafChild
• 非叶节点的子树是叶子节点，并且它是父节点的右子树：RightSubtreeHasLeafChild
• 非叶节点的子树不是叶子节点，并且它是父节点的左子树：LeftSubtreeHasNotLeafChild
• 非叶节点的子树不是叶子节点，并且它是父节点的右子树：RightSubtreeHasNotLeafChild

图16：

  上图中对这颗满二叉树进行前序遍历，将所有的非叶节点信息的写入到PackedIndexValue中。

RightSubtreeHasLeafChild

图17：

  当前非叶节点的左右子树是叶子节点，同时它是父节点的右子树：

LeftLeafBlockFP

  当前非叶节点的左子树是叶子节点，LeftLeafBlockFP为叶子节点的的信息在.dim文件中的偏移值。

Code

  Code值是一个int类型的值，它由多个值的组成，公式如下：

int code = (firstDiffByteDelta * (1+bytesPerDim) + prefix) * numDims + splitDim

• prefix：当前非叶节点的划分值与上一个非叶节点的划分值相同前缀的字节数
• splitDim：非叶节点的划分维度
• firstDiffByteDelta：当前非叶节点的划分值与上一个非叶节点的划分值第一个不相同的字节位置偏移
• bytesPerDim：表示一个维度值需要的字节数
• numDims：点数据中的维度数量

SplitValue

  当前非叶节点划分值，前缀存储。

RightLeafBlockFP

  当前非叶节点的右子树是叶子节点，LeftLeafBlockFP为叶子节点的的信息在.dim文件中的偏移值。

LeftSubtreeHasLeafChild

图18：

  当前非叶节点的左右子树是叶子节点，同时它是父节点的左子树：

  字段含义同上。

LeftSubtreeHasNotLeafChild

图19：

  当前非叶节点的左右子树不是叶子节点，同时它是父节点的左子树：

  Code、SPlitValue字段含义同上。

LeftNumBytes

  当前非叶节点的所有子树的信息大小，在读取阶段，通过该字段从.dim中读取一个数据区间。

RightSubtreeHasNotLeafChild

图20：

  当前非叶节点的左右子树不是叶子节点，同时它是父节点的右子树：

  Code、SPlitValue、LeftNumBytes字段含义同上。

LeftLeafBlockFP

  当前非叶节点的最左叶子节点的信息在.dim文件中的偏移值。

dim文件总数据结构

  下面的数据结构不是唯一的.dim文件结构，我们选取了其中一种：

图21：

点击查看大图。

dii文件的数据结构

图22：

Count

  这次的IndexWriter写入的点数据域的种类数量。

FieldNumber

  域的编号。

IndexFP

  当前域的非叶节点的信息在.dim文件中的偏移位置（图1中的BKD）。

结语

  无

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