基于Tire树和最大概率法的中文分词功能的Java实现

对于分词系统的实现来说，主要应集中在两方面的考虑上：一是对语料库的组织，二是分词策略的制订。

1.   Tire树

Tire树，即字典树，是通过字串的公共前缀来对字串进行统计、排序及存储的一种树形结构。其具有如下三个性质：

1)      根节点不包含字符（或汉字），除根节点以外的每个节点只能包含一个字符（汉字）

2)      从根节点到任一节点的路径上的所有节点中的字符（汉字）按顺序排列的字符串（词组）就是该节点所对应的字符串（词组）

3)      每个节点的所有直接子节点包含的字符（汉字）各不相同

上述性质保证了从Tire树中查找任意字符串（词组）所需要比较的次数尽可能最少，以达到快速搜索语料库的目的。

如下图所示的是一个由词组集<一，一万，一万多，一万元，一上午，一下午，一下子>生成的Tire树的子树：

可见，从子树的根节点“一”开始，任意一条路径都能组成一个以“一”开头的词组。而在实际应用中，需要给每个节点附上一些数据属性，如词频，因而可以用这些属性来区别某条路径上的字串是否是一个词组。如，节点“上”的词频为-1，那么“一上”就不是一个词组。

如下的代码是Tire树的Java实现：

package chn.seg;

import java.util.HashMap;
import java.util.Map;

public class TireNode {

	private String character;
	private int frequency = -1;
	private double antilog = -1;
	private Map<String, TireNode> children;

	public String getCharacter() {
		return character;
	}

	public void setCharacter(String character) {
		this.character = character;
	}

	public int getFrequency() {
		return frequency;
	}

	public void setFrequency(int frequency) {
		this.frequency = frequency;
	}

	public double getAntilog() {
		return antilog;
	}

	public void setAntilog(double antilog) {
		this.antilog = antilog;
	}

	public void addChild(TireNode node) {
		if (children == null) {
			children = new HashMap<String, TireNode>();
		}

		if (!children.containsKey(node.getCharacter())) {
			children.put(node.getCharacter(), node);
		}
	}

	public TireNode getChild(String ch) {
		if (children == null || !children.containsKey(ch)) {
			return null;
		}

		return children.get(ch);
	}

	public void removeChild(String ch) {
		if (children == null || !children.containsKey(ch)) {
			return;
		}

		children.remove(ch);
	}
}

2.   最大概率法（动态规划）

最大概率法是中文分词策略中的一种方法。相较于最大匹配法等策略而言，最大概率法更加准确，同时其实现也更为复杂。

基于动态规划的最大概率法的核心思想是：对于任意一个语句，首先按语句中词组的出现顺序列出所有在语料库中出现过的词组；将上述词组集中的每一个词作为一个顶点，加上开始与结束顶点，按构成语句的顺序组织成有向图；再为有向图中每两个直接相连的顶点间的路径赋上权值，如A→B，则AB间的路径权值为B的费用（若B为结束顶点，则权值为0）；此时原问题就转化成了单源最短路径问题，通过动态规划解出最优解即可。

如句子“今天下雨”，按顺序在语料库中存在的词组及其费用如下：

今，a

今天，b

天，c

天下，d

下，e

下雨，f

雨，g

则可以生成如下的加权有向图：

显而易见，从“Start”到“End”的单源路径最优解就是“今天下雨”这个句子的分词结果。

那么，作为权值的费用如何计算呢？对于最大概率法来说，要求的是词组集在语料库中出现的概率之乘积最大。对应单源最短路径问题的费用来说，

费用 = log( 总词频 / 某一词组词频 )

通过上述公式就可以把“最大”问题化为“最小”问题，“乘积”问题化为“求和”问题进行求解了。

如下的代码是基于动态规划的最大概率法的Java实现：

package chn.seg;

import java.io.BufferedReader;
import java.io.File;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStreamReader;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class ChnSeq {
	private TireNode tire = null;

	public void init() throws IOException, ClassNotFoundException {
		File file = new File("data" + File.separator + "dict.txt");
		if (!file.isFile()) {
			System.err.println("语料库不存在！终止程序！");
			System.exit(0);
		}

		BufferedReader in = new BufferedReader(
				new InputStreamReader(new FileInputStream(file), "utf-8"));
		String line = in.readLine();
		int totalFreq = Integer.parseInt(line);

		tire = new TireNode();

		while ((line = in.readLine()) != null) {
			String[] segs = line.split(" ");
			String word = segs[0];
			int freq = Integer.parseInt(segs[1]);

			TireNode root = tire;
			for (int i = 0; i < word.length(); i++) {
				String c = "" + word.charAt(i);
				TireNode node = root.getChild(c);
				if (node == null) {
					node = new TireNode();
					node.setCharacter(c);
					root.addChild(node);
				}
				root = node;
			}

			root.setFrequency(freq);
			root.setAntilog(Math.log((double)totalFreq / freq));
		}
		in.close();
	}

	public TireNode getTire() {
		return tire;
	}

	public TireNode getNodeByWord(String word) {
		if (tire == null) {
			System.err.println("需要先初始化ChnSeq对象！");
			return null;
		}

		TireNode node = tire;
		for (int i = 0; i < word.length(); i++) {
			String ch = word.charAt(i) + "";
			if (node == null) {
				break;
			} else {
				node = node.getChild(ch);
			}
		}

		return node;
	}

	private class Segment {
		public String word;
		public String endChar;
		public String lastChar;
		public double cost;

		public final static String START_SIGN = "<< STARTING >>";
		public final static String END_SIGN = "<< ENDING >>";
	}

	private List<Segment> preSegment(String sentence) {
		List<Segment> segs = new ArrayList<Segment>();

		Segment terminal = new Segment();
		terminal.word = Segment.START_SIGN;
		terminal.endChar = Segment.START_SIGN;
		terminal.lastChar = null;
		segs.add(terminal);
		for (int i = 0; i < sentence.length(); i++) {
			for (int j = i + 1; j <= sentence.length(); j++) {
				String word = sentence.substring(i, j);
				TireNode tnode = this.getNodeByWord(word);
				if (tnode == null) {
					break;
				}
				if (tnode.getFrequency() <= 0) {
					continue;
				}

				Segment seg = new Segment();
				seg.word = word;
				seg.endChar = word.substring(word.length() - 1, word.length());
				if (i == 0) {
					seg.lastChar = Segment.START_SIGN;
				} else {
					seg.lastChar = sentence.substring(i - 1, i);
				}
				seg.cost = tnode.getAntilog();
				segs.add(seg);
			}
		}
		terminal = new Segment();
		terminal.word = Segment.END_SIGN;
		terminal.endChar = Segment.END_SIGN;
		terminal.lastChar = sentence.substring(sentence.length() - 1, sentence.length());
		segs.add(terminal);

		return segs;
	}

	private String[] dynamicSegment(List<Segment> segs) {
		final double INFINITE = 9999999;

		if (segs == null || segs.size() == 0) {
			return null;
		}

		int n = segs.size();

		double[][] costs = new double[n][n];
		for (int i = 0; i < n; i++) {
			for (int j = 0; j < n; j++) {
				costs[i][j] = INFINITE;
			}
		}

		for (int i = 0; i < n; i++) {
			String endChar = segs.get(i).endChar;
			for (int j = 0; j < n; j++) {
				String lastChar = segs.get(j).lastChar;

				if (lastChar != null && lastChar.equals(endChar)) {
					costs[i][j] = segs.get(j).cost;
				}
			}
		}

		int sp = 0; // starting point
		int fp = n - 1; // finishing point

		double[] dist = new double[n];
		List<List<Integer>> sPaths = new ArrayList<List<Integer>>();
		List<Integer> list = new ArrayList<Integer>();
		for (int i = 0; i < n; i++) {
			dist[i] = costs[sp][i];
			if (sp != i) {
				list.add(i);
			}
			if (dist[i] < INFINITE) {
				List<Integer> spa = new ArrayList<Integer>();
				sPaths.add(spa);
			} else {
				sPaths.add(null);
			}
		}

		while (!list.isEmpty()) {
			Integer minIdx = list.get(0);
			for (int i: list) {
				if (dist[i] < dist[minIdx]) {
					minIdx = i;
				}
			}

			list.remove(minIdx);

			for (int i = 0; i < n; i++) {
				if (dist[i] > dist[minIdx] + costs[minIdx][i]) {
					dist[i] = dist[minIdx] + costs[minIdx][i];
					List<Integer> tmp = new ArrayList<Integer>(sPaths.get(minIdx));
					tmp.add(minIdx);
					sPaths.set(i, tmp);
				}
			}
		}

		String[] result = new String[sPaths.get(fp).size()];
		for (int i = 0; i < sPaths.get(fp).size(); i++) {
			result[i] = segs.get(sPaths.get(fp).get(i)).word;
		}
		return result;
	}

	public String[] segment(String sentence) {
		return dynamicSegment(preSegment(sentence));
	}
}

3.   测试代码

package chn.seg;

import java.io.IOException;

public class Main {

	public static void main(String[] args) throws ClassNotFoundException, IOException {
		ChnSeq cs = new ChnSeq();
		cs.init();

		String sentence = "生活的决定权也一直都在自己手上";

		String[] segs = cs.segment(sentence);
		for (String s: segs) {
			System.out.print(s + "\t");
		}
	}

}