Darts: Double-ARray Trie System

开篇

Darts 是用于构建双数组 Double-Array [Aoe 1989] 的简单的 C++ Template Library . 双数组 (Double-Array) 是用于实现 Trie 的一种数据结构, 比其它的类 Trie 实现方式(Hash-Tree, Digital Trie, Patricia Tree, Suffix Array) 速度更快。 原始的 Double-Array 使能够支持动态添加删除 key, 但是 Darts 只支持把排好序的词典文件转换为静态的 Double-Array.

Darts 既可以像 Hash 一样作为简单的词典使用，也能非常高效的执行分词词典中必须的 Common Prefix Search 操作。

自2003年7月起， 两个开源的日语分词系统 MeCab, ChaSen 都使用了 Darts .

下载

• Darts 是自由软件．遵循 LGPL(Lesser GNU General Public License) 和 BSD 协议, 可以修改后重新发布.

Source

• darts-0.32.tar.gz: HTTP

安装

% ./configure 
% make
% make check
% make install
然后在程序中  include /usr/local/include/darts.h

使用方法

Darts 只提供了 darts.h 这个 C++ 模板文件。每次使用的时候 include 该文件即可.
使用这样的发布方式是希望通过内联函数实现高效率。

类接口

namespace Darts {

   template <class NodeType, class NodeUType class ArrayType, 
                class ArrayUType, class LengthFunc = Length<NodeType> >

   class DobuleArrayImpl
   {
    public:
     typedef ArrayType   result_type;
     typedef NodeType    key_type;

     DoubleArrayImpl();
     ~DoubleArrayImpl();

     int    set_array(void *ptr, size_t = 0);
     void   *array();
     void   clear();
     size_t size ();
     size_t unit_size ();
     size_t nonzero_size ();
     size_t total_size ();

     int build (size_t        key_size,
                key_type      **key,
                size_t        *len = 0,
                result_type   *val = 0,
                int (*pg)(size_t, size_t) = 0);

     int open (const char *file,
               const char *mode = "rb",
               size_t offset = 0,
               size_t _size = 0);

     int save (const char *file,
               const char *mode = "wb",
               size_t offset = 0);

     result_type exactMatchSearch (const key_type *key,
                                   size_t len = 0,
                                   size_t node_pos = 0)

     size_t commonPrefixSearch  (const key_type *key,
                                 result_type *result,
                                 size_t result_size,
                                 size_t len = 0,
                                 size_t node_pos = 0)

     result_type traverse (const key_type *key, 
                           size_t &node_pos, 
                           size_t &key_pos, 
                           size_t len = 0)
   };

   typedef Darts::DoubleArrayImpl<char, unsigned char,
              int, unsigned int> DoubleArray;
};

模板参数说明

typedef 说明

模板参数类型的别名. 在外部需要使用这些类型的时候使用 .

方法说明

int Darts::DoubleArrayImpl::build(size_t size, const key_type **str, const size_t *len = 0, const result_type *val = 0, int (*progress_func)(size_t, size_t) = 0)

构建 Double Array .

size 词典大小 (记录的词条数目),
str 指向各词条的指针 (共 size个指针)
len 用于记录各个词条的长度的数组(数组大小为 size)
val 用于保存各词条对应的 value 的数组 (数组大小为 size)
progress_func 构建进度函数.

str 的各个元素必须按照字典序排好序.
另外 val 数组中的元素不能有负值.
len, val, progress_func 可以省略,
省略的时候， len 使用 LengthFunc 计算,
val 的各元素的值为从 0 开始的计数值。

构建成功，返回 0； 失败的时候返回值为负.
进度函数 progress_func 有两个参数.
第一个 size_t 型参数表示目前已经构建的词条数
第二个 size_t 型参数表示所有的词条数

result_type Darts::DoubleArrayImpl::exactMatchSearch(const key_type *key, size_t len = 0, size_t node_pos = 0)

进行精确匹配(exact match) 检索, 判断给定字符串是否为词典中的词条.

key 待检索字符串,
len 字符串长度,
node_pos 指定从 Double-Array 的哪个节点位置开始检索.

len, 和 node_pos 都可以省略, 省略的时候， len 缺省使用 LengthFunc 计算,
node_pos 缺省为 root 节点.

检索成功时， 返回 key 对应的 value 值, 失败则返回 -1.

size_t Darts::DoubleArrayImpl::commonPrefixSearch (const key_type *key, result_type *result, size_t result_size, size_t len = 0, size_t node_pos = 0)

执行 common prefix search. 检索给定字符串的哪些的前缀是词典中的词条

key 待检索字符串,
result 用于保存多个命中结果的数组,
result_size 数组 result 大小,
len 待检索字符串长度,
node_pos 指定从 Double-Array 的哪个节点位置开始检索.

len, 和 node_pos 都可以省略, 省略的时候， len 缺省使用 LengthFunc 计算,
node_pos 缺省为 root 节点.

函数返回命中的词条个数. 对于每个命中的词条， 词条对应的 value 值存依次放在 result 数组中. 如果命中的词条个数超过 result_size 的大小， 则 result 数组中只保存 result_size 个结果。函数的返回值为实际的命中词条个数， 可能超过 result_size 的大小。

result_t Darts::DoubleArrayImpl::traverse (const key_type *key, size_t &node_pos, size_t &key_pos, size_t len = 0)

traverse Trie， 检索当前字符串并记录检索后到达的位置

key 待检索字符串,
node_pos 指定从 Double-Array 的哪个节点位置开始检索.
key_pos 从待检索字符串的哪个位置开始检索
len 待检索字符串长度,

该函数和 exactMatchSearch 很相似. traverse 过程是按照检索串 key 在 TRIE 的节点中进行转移.
但是函数执行后, 可以获取到最后到达的 Trie 节点位置，最后到达的字符串位置 . 这和 exactMatchSearch 是有区别的.

node_pos 通常指定为 root 位置 (0) . 函数调用后， node_pos 的值记录最后到达的 DoubleArray 节点位置。
key_pos 通常指定为 0. 函数调用后， key_pos 保存最后到达的字符串 key 中的位置。

检索失败的时候， 返回 -1 或者 -2 .
-1 表示再叶子节点失败, -2 表示在中间节点失败,.
检索成功的时候， 返回 key 对应的 value.

int Darts::DoubleArrayImpl::save(const char *file, const char *mode = "wb", size_t offset = 0)

把 Double-Array 保存为文件.

file 保存文件名,
mode 文件打开模式
offset 保存的文件位置偏移量, 预留将来使用， 目前没有实现 .

成功返回 0 ， 失败返回 -1

int Darts::DoubleArrayImpl::open (const char *file, const char *mode = "rb", size_t offset = 0, size_t size = 0)

读入 Double-Array 文件.

file 读取文件名,
mode 文件打开模式
offset 读取的文件位置偏移量

size 为 0 的时候, size 使用文件的大小 .

成功返回 0 ， 失败返回 -1

size_t Darts::DoubleArrayImpl::size()

返回 Double-Array 大小.

size_t Darts::DoubleArrayImpl::unit_size()

Double-Array 一个元素的大小(byte).

size() * unit_size() 是, 存放 Double-Array 所需要的内存(byte) 大小.

size_t Darts::DoubleArrayImpl::nonzero_size()

Double-Array 的所有元素中， 被使用的元素的数目, .
nonezero_size()/size() 用于计算压缩率.

例子程序

从静态词典构建双数组 Double-Array.

#include <iostream>
#include <darts.h>

int main (int argc, char **argv)
{
  using namespace std;

  Darts::DoubleArray::key_type   *str[] = { "ALGOL", "ANSI", "ARCO",  "ARPA", "ARPANET", "ASCII" }; // same as char*
  Darts::DobuleArray::result_type val[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 }; // same as int 

  Darts::DoubleArray da;
  da.build (6, str, 0, val); 

  cout << da.exactMatchSearch("ALGOL") << endl;
  cout << da.exactMatchSearch("ANSI") << endl;
  cout << da.exactMatchSearch("ARCO") << endl;;
  cout << da.exactMatchSearch("ARPA") << endl;;
  cout << da.exactMatchSearch("ARPANET") << endl;;
  cout << da.exactMatchSearch("ASCII") << endl;;
  cout << da.exactMatchSearch("APPARE") << endl;

  da.save("some_file");
}

执行结果
1
2
3
4
5
6
-1

从标准输入读取字符串, 对 Double-Array 执行 Common Prefix Search

#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <darts.h>

int main (int argc, char **argv)
{
  using namespace std;

  Darts::DoubleArray da;
  if (da.open("some_file") == -1) return -1;

  Darts::DoubleArray::result_type  r [1024];
  Darts::DoubleArray::key_type     buf [1024];

  while (cin.getline (buf, 1024)) {
    size_t result = da.commonPrefixSearch(buf, r, 1024);
    if (result == 0) {
       cout << buf << ": not found" << endl;
    } else {
       cout << buf << ": found, num=" << result << " ";
       copy (r, r + result, ostream_iterator<Darts::DoubleArray::result_type>(cout, " "));
       cout << endl;
    }
  }

  return 0;
}

付属程序说明

mkdarts

% ./mkdarts DictionaryFile DoubleArrayFile

把排序好的词典 DictionaryFile 转换为 DoubleArrayFile

darts

% ./darts DoubleArrayFile

使用 DoubleArrayFile 做 common prefix search .

使用例子

% cd tests
% head -10 linux.words
ALGOL
ANSI
ARCO
ARPA
ARPANET
ASCII
 .. 

% ../mkdarts linux.words dar
Making Double Array: 100% |*******************************************|
Done!, Compression Ratio: 94.6903 %

% ../darts dar
Linux
Linux: found, num=2 3697 3713
Windows
Windows: not found
LaTeX
LaTeX: found, num=1 3529

参考文献, 链接

• [Aoe1989] Aoe, J. An Efficient Digital Search Algorithm by Using a Double-Array Structure. IEEE Transactions on Software Engineering. Vol. 15, 9 (Sep 1989). pp. 1066-1077.
• [Datrie] Theppitak Karoonboonyanan An Implementation of Double-Array Triehttp://www.links.nectec.or.th/~thep/datrie/
• [単語と辞書] 松本裕治 ほか. 単語と辞書 岩波講座言語の科学 Vol.3 pp.79-81

翻译

Zhihui JIN (ZhihuiJin AT gmail.com)

日语水平有限，翻译不准确之处请见谅