## 关于 pg_vector pg_vector 是一款对高维度向量提供高效相似度搜索能力的插件，该插件具备以下功能： * 支持向量数据类型，能够存储和查询向量数据。 * 支持精确和近似最近邻搜索（Approximate Nearest Neighbor，简称 ANN），支持的距离或相似度度量方法包括欧氏距离（L2 正则化欧氏距离，L2 norm Euclidean Distance）、曼哈顿距离（L1 Manhattan Distance）、余弦相似度（Cosine Similarity）以及内积运算（Inner Product）。 * 最大支持创建 16000 维度的向量，最大支持对 2000 维度的向量建立索引。 ## 使用插件 ### 创建插件 :::tip 需使用高权限账号创建插件。 ::: ```sql create extension vector; ``` ### 查询插件版本 ```sql select * from pg_available_extensions where name='vector'; ``` 如您的实例版本为 PostgreSQL 11 且使用的插件版本低于 0.5.0，可通过以下命令升级插件版本到 0.5.0。 ```sql alter extension vector update to '0.5.0'; ``` 如您的实例版本为 PostgreSQL 12 或更高版本，可通过以下命令升级插件版本到 0.6.2。 ```sql alter extension vector update to '0.6.2'; ``` 如您的实例版本为 PostgreSQL 13 或更高版本，可通过以下命令升级插件版本到 0.8.0。 ```sql alter extension vector update to '0.8.0'; ``` ### 删除插件 ```sql drop extension vector; ``` ### 数据类型 pg_vector 提供了 3 种向量数据类型（以下示例基于 vector 类型）。 |类型 |注释 |最大支持维度 |最大构建索引维度 |支持的索引 | |---|---|---|---|---| |vector |表示 32 位浮点型向量 |16000 |2000 |btree、ivfflat、hnsw | |halfvec |表示 16 位浮点型向量 |16000 |4000 |btree、ivfflat、hnsw | |sparsevec |表示稀疏向量，输入格式为`{index1:value1,index2:value2}/dimensions` |1000000000（非零维数16000） |非零维数1000 |btree、hnsw | ### insert&select ```sql create table tbl_vector (tc1 vector(3), tc2 halfvec(3), tc3 sparsevec(3)); insert into tbl_vector values ('[1,2,3]', '[1,2,3]', '{2:1}/3'); select * from tbl_vector; ``` ### 向量操作符 pg_vector 插件为向量类型实现了 14 种操作符。 :::warning * 使用操作符计算的两个向量需要有相同的维度。 * 为方便使用，pg_vector 对欧氏距离运算、曼哈顿距离运算、余弦相似度运算、内积运算的结果进行了统一化处理：运算结果越小，表示参与运算的两个向量相似度越高。 ::: |操作符 |说明 |使用示例 | |---|---|---| |<\-\> |L2 欧氏距离运算 |select tc1 <\-\> '[1,1,1]' as euclidean_distance from tbl_vector order by euclidean_distance ; | |<#\> |内积运算 |select tc1 <#\> '[1,1,1]' as inner_product from tbl_vector order by inner_product ; | |<=\> |余弦相似度运算 |select tc1 <=\> '[1,1,1]' as cosine_similarity from tbl_vector order by cosine_similarity ; | |+ |加 |select tc1 + '[1,1,1]' from tbl_vector; | |\- |减 |select tc1 \- '[1,1,1]' from tbl_vector; | |< |小于 |select \* from tbl_vector where tc1 < '[1,1,1]' ; | |<= |小于等于 |select \* from tbl_vector where tc1 <= '[1,1,1]' ; | |= |等于 |select \* from tbl_vector where tc1 = '[1,1,1]' ; | |<\> |不等于 |select \* from tbl_vector where tc1 <\> '[1,1,1]' ; | |\>= |大于等于 |select \* from tbl_vector where tc1 \>= '[1,1,1]' ; | |\> |大于 |select \* from tbl_vector where tc1 \> '[1,1,1]' ; | |\* |按位乘 |select tc1 \* '[2,2,2]' from tbl_vector; | |<+\> |计算曼哈顿距离 |select tc1 <+\> '[1,1,1]' from tbl_vector; | |\|\| |向量拼接 |select tc1 \|\| '[1,1,1]' from tbl_vector; | ### 索引通常，单表中存储的向量条目（行数）会有上亿之多，为了加速 vector 类型数据的访问和相似度计算，pg_vector 提供了三种索引类型：btree 索引、ivfflat 索引和 hnsw 索引。 #### 创建索引 * 创建 btree 索引 ```sql drop table tbl_vector; create table tbl_vector(id serial, tc1 vector(100)); insert into tbl_vector (tc1) select array_agg(random())::vector(100) from generate_series(1.0,100.0) ; create index on tbl_vector (tc1); ``` :::tip * 创建 btree 索引时，要求向量维度小于等于 674 维。 * 实际使用中，建议将需要创建 btree 索引的向量维度控制在 500 或 500 以内，防止因为 toast 访问引起索引扫描效率下降等问题。 ::: * 创建 ivfflat 索引 ```sql drop table tbl_vector ; create table tbl_vector(id serial, tc1 vector(5)); create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using ivfflat (tc1) with (lists = 4); ``` :::tip * 创建 ivfflat 索引时如不指定 opclass ，默认使用 `vector_l2_ops`。 * ivfflat 索引要求被索引的 vector 列维度必须小于等于 2000。 * ivfflat 不支持多列索引。 * ivfflat 索引仅仅适用于 order by，不适用于 where 过滤。因为 where 条件只能用于 bool 类型或者 bool 表达式，而 ivfflat 的操作符（<\-\>、<=\>、<#\>）的返回值不是 bool 类型。 * 索引扫描时，召回率取决于 ivfflat.probes 和创建索引时指定的 lists 值。ivfflat.probes 值越高，召回率越高，索引扫描性能越低，ivfflat.probes 越低，召回率越低，索引扫描性能越高。召回率最高的是顺序扫描。 ::: * 创建 hnsw 索引 ```sql drop table tbl_vector; create table tbl_vector(id serial, tc1 vector(5)); create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_l2_ops) with (m = 5, ef_construction = 10); ``` :::tip * hnsw 索引要求被索引的 vector 列维度必须小于等于 2000。 * hnsw 不支持多列索引。 * hnsw 索引仅适用于 order by，不适用于 where 过滤。因为 where 条件只能用于 bool 类型或者 bool 表达式，而 hnsw 的操作符（<\-\>、<=\>、<#\>）返回值不是 bool 类型。 ::: * 查询索引当前的构建进度 :::tip 该功能仅在 pg_vector 0.6.2 及更高版本实例中提供。 ::: ```sql vtest=# SELECT phase, round(100.0 * blocks_done / nullif(blocks_total, 0), 1) AS "%" FROM pg_stat_progress_create_index; phase | % --------------------------------+----- building index: loading tuples | 8.6 (1 row) ``` #### 索引参数 * ivfflat 索引参数以下两个参数，分别用于 ivfflat 索引创建和索引扫描： |参数 |何时使用 |含义 | |---|---|---| |lists |创建索引时指定，insert 时使用。 |* 最小值为 1，最大值为 32768，默认值为 100，表示往索引中的数据集分成的列表数。该值越大，表示数据集被分割得越多，各个子集的大小就越小，查询效率就越快。|\ | | |* lists 值不宜过大，建议设置在 2000 以内。否则创建索引时会占据较多内存，有可能引起内存不足，导致索引创建失败。 | |ivfflat.probes |查询时指定，索引扫描时使用。 |最小值为 1，最大值为 32768，默认值为 1，在本次索引扫描过程中，搜索的列表数目。该值越大，搜索扫描搜索的列表数越多，召回率（recall）就会越高，但是索引扫描效率会有所降低；反之，该值越小，索引扫描搜索列表数越少，召回率就会较低，但是索引扫描的效率会有所提升。如果该值大于创建索引时指定的 lists 值时，查询优化将会忽略索引，选择全表扫描。此时，可能会降低查询性能。 | |ivfflat.iterative_scan |查询时指定，索引扫描时使用。 |可选值为"off"或"relaxed_order"。若设置为"relaxed_order"，在查询时，会扩大索引扫描的范围，获得更高的召回率，自然也会消耗更多的时间。 | |ivfflat.max_probes |查询时指定，索引扫描时使用。 |最小值为 1，最大值为 32768，默认值为 32768。ivfflat.iterative_scan 设置为"relaxed_order"时生效，在本次索引扫描过程中，搜索的最大列表数目为 max(ivfflat.probes, ivfflat.max_probes)。 | * hnsw 索引参数以下六个参数，分别用于 hnsw 索引的创建和扫描： |参数 |何时使用 |含义 | |---|---|---| |m |创建索引时指定，insert 时使用。 |表示每个点需要与图中其他的点建立的连接数。`m` 的最小值为 2，最大值为 100，默认值为 16。通常 `m` 越大召回率越高，同时内存消耗越大；`m` 值越小，构建时间就越短。 | |ef_construction |创建索引时指定，insert 时使用。 |表示构建索引时动态候选集合的大小。`ef_construction` 的最小值为 4，最大值为 1000，默认值为 64。`ef_construction` 必须大于 `m`，通常设置为 `m` 值的 2 倍。对于聚集性数据而言，通常 `ef_construction` 取较大值时效果更佳。`ef_construction` 的值越大，索引构建速度越慢。 | |hnsw.ef_search |查询时指定，索引扫描时使用。 |该参数为查询时参数，用于限制返回的最大记录数和准确性。`hnsw.ef_search` 的最小值为 1，最大值为 1000，默认值为 40。例如，将 `hnsw.ef_search` 值设置为 40，则查询将只能返回 40 行，即使您尝试查询 100 个最近邻的记录。|\ | | |通常 `hnsw.ef_search` 越大搜索准确度越高，同时消耗的时间越长。 | |hnsw.iterative_scan |查询时指定，索引扫描时使用。 |可选值为"off"、"relaxed_order"或"strict_order"。若设置为"relaxed_order"或"strict_order"，在查询时，会扩大索引扫描的范围，获得更高的召回率，自然也会消耗更多的时间。 | |hnsw.max_scan_tuples |查询时指定，索引扫描时使用。 |最小值为 1，默认值为 20000，限制扩大索引扫描时访问的最大 tuple 数量。 | |hnsw.scan_mem_multiplier |查询时指定，索引扫描时使用。 |最小值为 1，最大值为 1000，默认值为 1，设置扩大索引扫描时的使用的内存为 work_mem 的倍数。 | 以下三个参数，可以用于加快 hnsw 索引构建速度： |参数 |含义 | |---|---| |max_parallel_workers |设置系统的最大并行进程数量，默认值为 8。 | |max_parallel_maintenance_workers |设置单一工具性命令（例如 CREATE INDEX）的最大并行进程数。 | |maintenance_work_mem |指定在维护性操作（例如 VACUUM、CREATE INDEX）中使用的最大的内存量。 | #### 使用示例 * 创建并使用 btree 索引。 ```sql drop table tbl_vector ; create table tbl_vector (id serial, tc1 vector(5)); insert into tbl_vector (tc1) select array_agg(random())::vector(5) from generate_series(1.0,5.0) ; create index on tbl_vector (tc1); select * from tbl_vector order by tc1; ``` * 创建 ivfflat 索引，并使用 `vector_l2_ops`，进行欧式距离相似性搜索。 ```sql drop table tbl_vector ; create table tbl_vector(id serial, tc1 vector(5)); insert into tbl_vector (tc1) select array_agg(random())::vector(5) from generate_series(1.0,5.0) ; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using ivfflat (tc1) with (lists = 4); -- 高召回率 set ivfflat.probes = 4; -- 将 ivfflat.probes 调整成和索引的 lists 值一样，表示扫描所有列表， select * from tbl_vector order by tc1 <-> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; -- 低召回率 set ivfflat.probes = 1; -- 将 ivfflat.probes 调整成小于索引的 lists 值，表示扫描部分列表 select * from tbl_vector order by tc1 <-> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; ``` * 创建 ivfflat 索引，并使用 `vector_cosine_ops`，进行余弦相似性搜索。 ```sql drop index tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using ivfflat (tc1 vector_cosine_ops) with (lists = 4); -- 高召回率 set ivfflat.probes = 4; -- 将 ivfflat.probes 调整成和索引的 lists 值一样，表示扫描所有列表， select * from tbl_vector order by tc1 <=> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; -- 低召回率 set ivfflat.probes = 1; -- 将 ivfflat.probes 调整成小于索引的 lists 值，表示扫描部分列表 select * from tbl_vector order by tc1 <=> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; ``` * 创建 ivfflat 索引，并使用 `vector_ip_ops`，进行内积相似性搜索。 ```sql drop index tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using ivfflat (tc1 vector_ip_ops) with (lists = 4); -- 高召回率 set ivfflat.probes = 4; -- 将 ivfflat.probes 调整成和索引的 lists 值一样，表示扫描所有列表， select * from tbl_vector order by tc1 <#> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; -- 低召回率 set ivfflat.probes = 1; -- 将 ivfflat.probes 调整成小于索引的 lists 值，表示扫描部分列表 select * from tbl_vector order by tc1 <#> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; ``` * 并行创建 hnsw 索引，并使用 `max_parallel_workers`、`max_parallel_maintenance_workers` 和 `maintenance_work_mem` 参数。 ```sql set maintenance_work_mem = '1GB'; set max_parallel_workers = 4; set max_parallel_maintenance_workers = 4; drop index IF EXISTS tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_l2_ops) with (m = 10, ef_construction = 20); ``` * 创建 hnsw 索引，并使用 `vector_l2_ops`，进行欧式距离相似性搜索。 ```sql -- 高召回率 drop index IF EXISTS tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_l2_ops) with (m = 10, ef_construction = 20); set hnsw.ef_search = 10; select * from tbl_vector order by tc1 <-> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; -- 低召回率 drop index IF EXISTS tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_l2_ops) with (m = 5 , ef_construction = 10); set hnsw.ef_search = 10; select * from tbl_vector order by tc1 <-> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; ``` * 创建 hnsw 索引，并使用 `vector_cosine_ops`，进行余弦相似性搜索。 ```sql -- 高召回率 drop index IF EXISTS tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_cosine_ops) with (m = 10, ef_construction = 20); set hnsw.ef_search = 10; select * from tbl_vector order by tc1 <=> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; -- 低召回率 drop index IF EXISTS tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_cosine_ops) with (m = 5 , ef_construction = 10); set hnsw.ef_search = 10; select * from tbl_vector order by tc1 <=> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; ``` * 创建 hnsw 索引，并使用`vector_ip_ops`，进行内积相似性搜索。 ```sql -- 高召回率 drop index IF EXISTS tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_ip_ops) with (m = 10, ef_construction = 20); set hnsw.ef_search = 10; select * from tbl_vector order by tc1 <#> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; -- 低召回率 drop index IF EXISTS tbl_vector_tc1_idx; create index tbl_vector_tc1_idx on tbl_vector using hnsw (tc1 vector_ip_ops) with (m = 5 , ef_construction = 10); set hnsw.ef_search = 10; select * from tbl_vector order by tc1 <#> '[0.559782,0.194308,0.454407,0.0176121,0.442676]'; ``` :::tip 以上示例代码中的高召回率和低召回率仅代表设定场景下的结果，实际情况下需要根据业务模型进行调整。 ::: ### 聚合函数 pg_vector 插件为向量类型提供了两个聚合函数 avg() 和 sum()。 * avg() 函数用于计算向量每一维度的平均值，使用方法如下示例所示： ```sql drop table tbl_vector ; create table tbl_vector(id serial, tc1 vector(5)); insert into tbl_vector (tc1) select array_agg(random())::vector(5) from generate_series(1.0,5.0) ; select avg(tc1) from tbl_vector; select id, avg(tc1) from tbl_vector group by id; ``` * sum() 函数用于对 vector 的每一维度进行求和，使用方法如下示例所示： ```sql insert into tbl_vector (tc1) select array_agg(random())::vector(5) from generate_series(1.0,5.0) ; select sum(tc1) from tbl_vector; select id, sum(tc1) from tbl_vector group by id; ``` ### 类型转换 pg_vector 插件提供了向量类型和几种数组类型的转换。 |**转换类型** |**使用示例** | |---|---| |将 vector 转换为 vector |```sql|\ | |select '[0.802642,0.339995,0.440122,0.476725,0.449537]'::vector;|\ | |```|\ | | | |将 vector 转换为 real[ ] |```sql|\ | |select vector('[0.802642,0.339995,0.440122,0.476725,0.449537]')::real[];|\ | |```|\ | | | |将 real[ ] 转换为 vector |```sql|\ | |select '{0.802642,0.339995,0.440122,0.476725,0.449537}'::real[]::vector;|\ | |```|\ | | | |将 int4[ ] 转换为 vector |```sql|\ | |select '{1,2,3,4,5}'::int4[]::vector;|\ | |```|\ | | | |将 double precision[ ] 转换为 vector |```sql|\ | |select '{0.864488503430039,0.798674516845495,0.90717526525259,0.756084795109928,0.639521076343954}'::double precision[]::vector;|\ | |```|\ | | | |将 numeric[ ] 转换为 vector |```sql|\ | |select '{0.864488503430039,0.798674516845495,0.90717526525259,0.756084795109928,0.639521076343954}'::numeric[]::vector;|\ | |```|\ | | | ## pg_vector 向量运算性能介绍在向量化场景中，典型场景是存储经过大语言模型（Large Language Model，简称 LLM）（比如：[text-embedding-ada-002](https://platform.openai.com/docs/guides/embeddings)）处理过后的 embeddings 向量（维度固定为 1536 维），并计算他们的相似度。本文以此场景为参考，验证不同数据量、不同线程数、不同并发数、不同索引和不同参数取值，对数据库 TPS 和时延的影响。 ### 测试参数 |测试参数 || |---|---| |测试并发数 |6/16 | |测试线程数 |1/4 | |测试时间 |60s | |PostgreSQL实例规格 |单 AZ 一主一备 32C64G | |客户端规格 |32vCPU128GiB 极速型 SSD PL0 40 GiB | ### 测试流程 |测试步骤 |语句 | |---|---| |创建插件 |```sql|\ | |create extension vector;|\ | |```|\ | | | |创建表和索引 |```sql|\ | |create table tbl_embedding(id serial, embedding vector(1536));|\ | |-- 创建 l2 索引|\ | |create index on tbl_embedding using hnsw (embedding vector_l2_ops) with (m = 16, ef_construction = 64);|\ | |```|\ | | | |创建函数，生成指定维度的 embedding 数据 |```sql|\ | |create or replace function gen_embeddings(dim int)|\ | | returns vector|\ | |as $$|\ | | select array_agg(random())::vector from generate_series(1, dim)|\ | |$$|\ | |language sql|\ | |volatile|\ | |cost 1;|\ | |```|\ | | | |导入 10 万条数据 |```sql|\ | |-- 导入 10W 条数据|\ | |truncate tbl_embedding;|\ | |insert into tbl_embedding(embedding) select gen_embeddings(1536) from generate_series(1, 100000);|\ | |SELECT pg_relation_size('tbl_embedding_embedding_idx');|\ | |```|\ | | | |pg_bench 压测 sql 语句：vtest.sql |```sql|\ | |with vtemp as (select gen_embeddings(1536) as ctemp)|\ | |select id from tbl_embedding order by embedding <-> (select ctemp from vtemp) limit 40;|\ | |```|\ | | | |pgbench 执行 |```shell|\ | |PGPASSWORD=Pass_ABC123 pgbench -c 16 -P 10 -T 60 -r -n -U suser -h postgres12fc1230****.rds-pg.ivolces.com -d testdb -p 5432 -f vtest.sql|\ | |```|\ | | | |导入 20 万条数据 |```sql|\ | |-- 导入 20W 条数据|\ | |truncate tbl_embedding;|\ | |drop index tbl_embedding_embedding_idx;|\ | |insert into tbl_embedding(embedding)|\ | |select gen_embeddings(1536) from generate_series(1, 200000);|\ | |```|\ | | | |导入 40 万条数据 |```sql|\ | |-- 导入 40W 条数据|\ | |truncate tbl_embedding;|\ | |drop index tbl_embedding_embedding_idx;|\ | |insert into tbl_embedding(embedding)|\ | |select gen_embeddings(1536) from generate_series(1, 400000);|\ | |```|\ | | | |导入 60 万条数据 |```sql|\ | |-- 导入 60W 条数据|\ | |truncate tbl_embedding;|\ | |drop index tbl_embedding_embedding_idx;|\ | |insert into tbl_embedding(embedding)|\ | |select gen_embeddings(1536) from generate_series(1, 600000);|\ | |```|\ | | | |导入 80 万条数据 |```sql|\ | |-- 导入 80W 条数据|\ | |truncate tbl_embedding;|\ | |drop index tbl_embedding_embedding_idx;|\ | |insert into tbl_embedding(embedding)|\ | |select gen_embeddings(1536) from generate_series(1, 800000);|\ | |```|\ | | | |导入 100 万条数据 |```sql|\ | |-- 导入 100W 条数据|\ | |Truncate tbl_embedding;|\ | |drop index tbl_embedding_embedding_idx;|\ | |insert into tbl_embedding(embedding)|\ | |select gen_embeddings(1536) from generate_series(1, 1000000);|\ | |```|\ | | | ### 测试结果 #### pgbench 性能 |测试数据量 |表数据大小 |索引数据大小 |TPS ||时延 || |^^|^^|^^|6 并发 1 线程 |16 并发 4 线程 |6 并发 1 线程 |16 并发 4 线程 | |---|---|---|---|---|---|---| |10 万 |795 MB |781 MB |1838 |2299 |3.258 ms |6.871 ms | |20 万 |1590 MB |1562.5 MB |1683 |2503 |3.559 ms |6.329 ms | |40 万 |3180 MB |3125 MB |1588 |2487 |3.771 ms |6.368 ms | |60 万 |4770 MB |4687.5 MB |1564 |2538 |3.829 ms |6.254 ms | |80 万 |6360 MB |6250 MB |1508 |2537 |3.971 ms |6.256 ms | |100 万 |7950 MB |7812.5 MB |1434 |2533 |4.176 ms |6.275 ms | #### hnsw 索引与 ivfflat 索引对 TPS 和时延的影响在单 AZ 一主一备 32C64G 实例、 6 并发 1 线程、不同数据量场景下，使用 hnsw 索引与 ivfflat 索引时对 TPS 和时延的影响。 ![图片](https://portal.volccdn.com/obj/volcfe/cloud-universal-doc/upload_905ac94b7bd33b0d07328e616dd04cc6.png =1023x) #### 超参数对于 TPS 和时延的影响在单 AZ 一主一备 32C64G 实例、 60 万数据量、 16 并发 4 线程场景下，固定 `m` 和 `ef_construction` 的值，设定不同的 `hnsw.ef_search` 值对于 TPS 和时延的影响。 ![图片](https://portal.volccdn.com/obj/volcfe/cloud-universal-doc/upload_925b4a70436324815a667059cd0f92f0.png =1059x)

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