Spring Boot整合Redis Stack构建本地向量数据库相似性查询

在微服务架构中，数据的高效存储与快速查询是至关重要的。Redis作为一个高性能的内存数据结构存储系统，不仅可以用作缓存、消息代理，还可以扩展为向量数据库，实现高效的相似性搜索。本文将详细介绍如何使用Spring Boot整合Redis Stack，构建本地向量数据库，并进行相似性查询。

一、Redis Stack简介

Redis Stack（也称为Redis Enterprise或Redis Cloud）是一个全面的Redis解决方案，它包括了Redis数据库、Redis搜索、Redis AI、Redis JSON等多个模块，为开发者提供了丰富的数据结构和强大的功能。其中，Redis搜索模块允许我们将Redis用作向量数据库，进行相似性搜索。

二、环境准备

在开始之前，我们需要准备以下环境：

JDK：确保已安装Java Development Kit（JDK），版本建议为17或更高。
Maven：用于构建和管理Java项目依赖。
Docker：用于运行Redis Stack容器。
Spring Boot：用于构建微服务应用。

三、Redis Stack安装与配置

我们将使用Docker来安装Redis Stack。以下是安装步骤：

拉取Redis Stack镜像
```
docker pull redis/redis-stack
```
运行Redis Stack容器
```
docker run -d --name redis-stack -p 6379:6379 -p 5540:5540 redis/redis-stack
```
这将启动Redis Stack容器，并暴露Redis服务（端口6379）和Redis Insight管理界面（端口5540）。
访问Redis Insight

打开浏览器，访问http://localhost:5540，即可进入Redis Insight管理界面，进行Redis数据库的可视化管理。

四、Spring Boot项目构建

接下来，我们将使用Spring Boot构建一个微服务应用，用于与Redis Stack进行交互，实现向量数据库的相似性查询。

创建Spring Boot项目

使用Spring Initializr或Maven命令创建一个新的Spring Boot项目，并添加以下依赖：

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.boot</groupId>
        <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
    </dependency>
    <dependency>
        <groupId>redis.clients</groupId>
        <artifactId>jedis</artifactId>
    </dependency>
    <!-- 其他依赖，如Spring AI（可选） -->
    <dependency>
        <groupId>org.springframework.ai</groupId>
        <artifactId>spring-ai-redis-spring-boot-starter</artifactId>
        <version>${spring-ai.version}</version>
    </dependency>
</dependencies>

配置Redis连接

在application.yml或application.properties文件中配置Redis连接信息：

spring:
  redis:
    host: localhost
    port: 6379
    # 其他配置，如密码、连接池等（可选）

创建Redis配置类

创建一个Redis配置类，用于配置RedisTemplate和其他必要的Bean：

@Configuration
public class RedisConfig {

    @Bean
    public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory redisConnectionFactory) {
        RedisTemplate<String, Object> template = new RedisTemplate<>();
        template.setConnectionFactory(redisConnectionFactory);
        template.setKeySerializer(new StringRedisSerializer());
        template.setValueSerializer(new Jackson2JsonRedisSerializer<>(Object.class));
        return template;
    }

    // 其他配置，如HashOperations、ValueOperations等（可选）
}

实现向量存储与查询

为了将文本或数据转换为向量，并使用Redis进行存储和查询，我们需要一个嵌入模型（如Word2Vec、BERT等）来生成向量。这里，我们假设已经有一个向量化工具（如vectorStore），它可以将指定的字段转换为高维向量，并存储在Redis中。

@Service
public class VectorService {

    @Autowired
    private RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;

    // 存储向量到Redis
    public void storeVector(String key, double[] vector) {
        // 将向量序列化为字符串或其他可存储的格式（如JSON）
        String vectorStr = Arrays.toString(vector);
        redisTemplate.opsForValue().set(key, vectorStr);
    }

    // 查询与给定向量最相似的K个向量
    public List<String> similaritySearch(double[] queryVector, int k) {
        // 将查询向量转换为与存储在Redis中相同格式的字符串（可选）
        String queryVectorStr = Arrays.toString(queryVector);

        // 使用Redis的搜索功能进行相似性搜索（这里需要实现具体的搜索逻辑）
        // 假设有一个`vectorStore.similaritySearch`方法可以进行相似性计算
        // List<Document> results = vectorStore.similaritySearch(queryVector, k);
        // 返回结果（这里仅为示例，实际应返回相似向量的键或其他相关信息）
        // return results.stream().map(Document::getKey).collect(Collectors.toList());

        // 由于Redis原生不支持向量搜索，这里可以使用第三方库或自定义实现
        // 以下是一个简单的示例，使用余弦相似度进行手动计算（不推荐用于生产环境）
        Map<String, Double> similarityMap = new HashMap<>();
        redisTemplate.keys("*").forEach(redisKey -> {
            String vectorStr = (String) redisTemplate.opsForValue().get(redisKey);
            double[] storedVector = Arrays.stream(vectorStr.replaceAll("[\\[\\]\\s]", "").split(","))
                    .mapToDouble(Double::parseDouble).toArray();
            double similarity = cosineSimilarity(queryVector, storedVector);
            similarityMap.put(redisKey, similarity);
        });

        // 按相似度排序并返回前K个结果
        List<Map.Entry<String, Double>> sortedEntries = similarityMap.entrySet().stream()
                .sorted((e1, e2) -> Double.compare(e2.getValue(), e1.getValue()))
                .collect(Collectors.toList());

        return sortedEntries.stream().limit(k).map(Map.Entry::getKey).collect(Collectors.toList());
    }

    // 计算余弦相似度
    private double cosineSimilarity(double[] a, double[] b) {
        double dotProduct = 0.0;
        double normA = 0.0;
        double normB = 0.0;
        for (int i = 0; i < a.length; i++) {
            dotProduct += a[i] * b[i];
            normA += a[i] * a[i];
            normB += b[i] * b[i];
        }
        return dotProduct / (Math.sqrt(normA) * Math.sqrt(normB));
    }
}

注意：上述代码中的vectorStore.similaritySearch方法是一个假设的方法，Redis原生并不支持向量搜索。在实际应用中，我们可以使用Redis的搜索模块（需要安装Redis Search插件）或第三方库（如Elasticsearch、FAISS等）来实现高效的向量搜索。此外，上述代码中的余弦相似度计算是手动实现的，仅用于示例，不推荐在生产环境中使用。

创建控制器

创建一个控制器，用于接收客户端的请求，并调用VectorService进行向量存储和查询：

@RestController
@RequestMapping("/vectors")
public class VectorController {

    @Autowired
    private VectorService vectorService;

    // 存储向量
    @PostMapping("/store")
    public ResponseEntity<Void> storeVector(@RequestBody Map<String, double[]> requestBody) {
        String key = requestBody.keySet().iterator().next();
        double[] vector = requestBody.get(key);
        vectorService.storeVector(key, vector);
        return ResponseEntity.ok().build();
    }

    // 查询相似向量
    @GetMapping("/search")
    public ResponseEntity<List<String>> similaritySearch(@RequestParam double[] queryVector, @RequestParam int k) {
        List<String> similarKeys = vectorService.similaritySearch(queryVector, k);
        return ResponseEntity.ok(similarKeys);
    }
}

运行应用

使用Maven或IDE运行Spring Boot应用，然后可以通过Postman或其他HTTP客户端发送请求，进行向量存储和查询。

五、总结

通过上述步骤，我们成功使用Spring Boot整合了Redis Stack，并构建了一个本地向量数据库，实现了相似性查询。然而，需要注意的是，Redis原生并不支持向量搜索，因此在实际应用中，我们需要借助Redis的搜索模块、