【Spring AI】05. 向量数据库

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向量数据库

向量数据库是一种在 AI 应用中发挥关键作用的特定类型的数据库。
在向量数据库中，查询与传统关系数据库不同。它们不执行精确匹配，而是执行相似性搜索。当以向量作为查询时，向量数据库返回与查询向量“相似”的向量。有关如何在高层次计算此相似性的更多详细信息，请参阅 向量相似性 。
向量数据库用于将您的数据与 AI 模型集成。它们的使用的第一步是将您的数据加载到向量数据库中。然后，当用户查询要发送到 AI 模型时，首先检索一组相似的文档。然后，这些文档作为用户问题的上下文，并与用户的查询一起发送到 AI 模型。这种技术被称为检索增强生成（RAG）。
以下部分描述了 Spring AI 接口，用于使用多个向量数据库实现和一些高级示例用法。
最后一部分旨在揭示向量数据库中相似搜索的基本方法。

概述

本节作为 Spring AI 框架中VectorStore接口及其关联类的指南。
Spring AI 通过VectorStore接口为向量数据库交互提供了抽象化的 API。
这里是 VectorStore 接口的定义：

publicinterfaceVectorStore{voidadd(List<Document> documents);Optional<Boolean>delete(List<String> idList);List<Document>similaritySearch(String query);List<Document>similaritySearch(SearchRequest request);}

和相关的 SearchRequest 构建器：

publicclassSearchRequest{publicfinalString query;privateint topK =4;privatedouble similarityThreshold =SIMILARITY_THRESHOLD_ALL;privateFilter.Expression filterExpression;publicstaticSearchRequestquery(String query){returnnewSearchRequest(query);}privateSearchRequest(String query){this.query = query;}publicSearchRequestwithTopK(int topK){...}publicSearchRequestwithSimilarityThreshold(double threshold){...}publicSearchRequestwithSimilarityThresholdAll(){...}publicSearchRequestwithFilterExpression(Filter.Expression expression){...}publicSearchRequestwithFilterExpression(String textExpression){...}publicStringgetQuery(){...}publicintgetTopK(){...}publicdoublegetSimilarityThreshold(){...}publicFilter.ExpressiongetFilterExpression(){...}}

要将数据插入向量数据库，请将其封装在Document对象中。Document类封装来自数据源（如 PDF 或 Word 文档）的内容，并包含表示为字符串的文本。它还包含键值对形式的元数据，包括文件名等详细信息。
插入向量数据库时，文本内容会被转换为数值数组，或称为向量嵌入。嵌入模型，如 Word2Vec、GLoVE 和 BERT，或 OpenAI 的text-embedding-ada-002，将单词、句子或段落转换为这些向量嵌入。
向量数据库的作用是存储和促进这些嵌入的相似性搜索。它本身不生成嵌入向量。要创建嵌入向量，应该使用EmbeddingClient。
接口中的similaritySearch方法允许检索与给定查询字符串类似的文档。可以通过使用以下参数来对这些方法进行微调：

• k：一个整数，指定要返回的相似文档的最大数量。这通常被称为“top K”搜索，或“K 最近邻”（KNN）。
• threshold：一个从 0 到 1 范围的双精度值，值越接近 1 表示相似度越高。默认情况下，如果您设置了 0.75 的阈值，那么只有相似度高于此值的文档才会被返回。
• Filter.Expression：用于传递类似于 SQL 中的“where”子句的流畅 DSL（领域特定语言）表达式的类，但它仅适用于Document的元数据键值对。
• filterExpression：基于 ANTLR4 的外部 DSL，接受过滤表达式作为字符串。例如，对于像 country、year 和isActive这样的元数据键，您可以使用如下表达式：country == ‘UK’ && year >= 2020 && isActive == true.

在 Metadata Filters 部分查找有关Filter.Expression的更多信息。

可用实现

这些是VectorStore接口的可用实现：

• Azure Vector Search - Azure 向量存储。
• ChromaVectorStore - Chroma 向量存储。
• MilvusVectorStore - Milvus 向量存储。
• Neo4jVectorStore - Neo4j 向量存储。
• PgVectorStore - PostgreSQL/PGVector 向量存储。
• PineconeVectorStore - PineCone 向量存储。
• QdrantVectorStore - Qdrant 向量存储。
• RedisVectorStore - Redis 向量存储。
• WeaviateVectorStore - Weaviate 向量存储。
• SimpleVectorStore - 一个简单的持久化向量存储实现，适用于教育目的。 未来版本可能支持更多的实现。 如果您需要由 Spring AI 支持的向量数据库，请在 GitHub 上提出问题，或者更好地，提交一个实现的拉取请求。 每个VectorStore实现的信息可以在本章的子章节中找到。

示例用法

要为向量数据库计算嵌入向量，您需要选择与 AI 模型相匹配的嵌入向量模型。
例如，使用OpenAI的ChatGPT，我们使用OpenAiEmbeddingClient和名称为text-embedding-ada-002的模型。
Spring Boot starter 的自动配置可以在 Spring 应用程序上下文中生成一个EmbeddingClient的实现，以便进行依赖注入。
一般通过类似批处理作业的方法将数据加载到向量存储中，首先将数据加载到 Spring AI 的Document类中，然后调用save方法。
给定一个指向我们要加载到向量数据库中的数据 JSON 文件的源文件的 String 引用，我们使用 Spring AI 的 JsonReader 来加载 JSON 中的特定字段，将它们拆分成小块，然后将这些小块传递给向量存储实现。 VectorStore 实现计算嵌入向量并将 JSON 和嵌入向量存储在向量数据库中：

@AutowiredVectorStore vectorStore;voidload(String sourceFile){JsonReader jsonReader =newJsonReader(newFileSystemResource(sourceFile),"price","name","shortDescription","description","tags");List<Document> documents = jsonReader.get();this.vectorStore.add(documents);}

然后，当用户问题传递到 AI 模型时，会进行相似性搜索以检索类似的文档，然后将这些文档“填充”到提示中，作为用户问题的上下文。

String question =<question from user>List<Document> similarDocuments = store.similaritySearch(question);

可以将附加选项参数传递到similaritySearch方法中，以定义要检索多少个文档以及相似性搜索的阈值。

元数据过滤器

本节描述了您可以针对查询结果使用的各种过滤器。

Filter String

您可以将类似于 SQL 的过滤表达式作为String传递给其中一个similaritySearch重载类。
请参考以下示例：

* "country == 'BG'"
* "genre == 'drama' && year >= 2020"
* "genre in ['comedy', 'documentary', 'drama']"

Filter.Expression

您可以使用流式 API 的 FilterExpressionBuilder 创建 Filter.Expression 的实例。一个简单的示例如下：

FilterExpressionBuilder b = new FilterExpressionBuilder();
Expression expression = b.eq("country", "BG").build();

您可以通过使用以下运算符来构建复杂的表达式：

EQUALS: '=='
MINUS : '-'
PLUS: '+'
GT: '>'
GE: '>='
LT: '<'
LE: '<='
NE: '!='

您可以通过使用以下运算符来组合表达式：

AND: 'AND' | 'and' | '&&';
OR: 'OR' | 'or' | '||';

考虑以下示例：

Expression exp = b.and(b.eq("genre", "drama"), b.gte("year", 2020)).build();

您还可以使用以下运算符：

IN: 'IN' | 'in';
NIN: 'NIN' | 'nin';
NOT: 'NOT' | 'not';

考虑以下例子（官方给的例子不是很匹配运算符）：

Expression exp = b.and(b.eq("genre", "drama"), b.gte("year", 2020)).build();

理解向量

请参考 100. 理解向量 章节