使用 SK 进行向量操作

先祝大家 2025 新年好。
在 2024 年落地的 LLM 应用来看，基本上都是结合 RAG 技术来使用的。因为绝大多数人跟公司是没有 fine-turning 的能力的。不管是在难度还是成本的角度看 RAG 技术都友好的多。
在 RAG（Retrieval-Augmented Generation）中，向量的意义在于将文本数据转换为高维向量表示，以便进行高效的相似性搜索和信息检索。具体来说，向量在 RAG 中的作用包括：
文本嵌入：将文本数据（如用户查询、文档内容）转换为向量表示。这些向量捕捉了文本的语义信息，使得相似的文本在向量空间中距离较近。
相似性搜索：通过计算向量之间的距离（如余弦相似度），可以快速找到与查询向量最相似的文档向量，从而实现高效的信息检索。
增强生成：在生成式模型（如 GPT）生成文本时，利用检索到的相关文档向量作为辅助信息，提高生成结果的相关性和准确性。
使用 SK 对向量进行存储与检索

如果要使用 RAG 技术，基本上离不开对向量进行存储，检索等基础操作。好在 SK 已经为我们全都封装好了。以下让我们看看如何使用 SK 来玩转向量。
定义 User Model 类

定义 User Model 类用来描述数据结构。使用 VectorStoreRecordKeyAttribute 指示 key 字段，使用 VectorStoreRecordDataAttribute 指示数据字段，VectorStoreRecordVector 指示向量字段。

1.         public class UserModel
2.     {
3.         [VectorStoreRecordKey]
4.         public string UserId { get; set; }
6.         [VectorStoreRecordData]
7.         public string UserName { get; set; }
9.         [VectorStoreRecordData]
10.         public string Hobby { get; set; }
12.         public string Description => $"{UserName}'s ID is {UserId} and hobby is {Hobby}";
13.         
14.         [VectorStoreRecordVector(1024, DistanceFunction.CosineDistance, IndexKind.Hnsw)]
15.         public ReadOnlyMemory<float>? DescriptionEmbedding { get; set; }
17.     }

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SK 为我们提供了 IVectorStore 接口。这样各种向量存储的方案只要实现这个接口就可以了。 SK 为我们提供了很多 out-of-the-box 的库，比如：InMemory, Redis, Azure Cosmos, Qdrant, PG。只要通过 nuget 安装就可以使用了。
下面我们使用 Redis 作为向量数据库给大家演示。
使用 docker 安装 redis stack server

默认 redis 是不支持向量搜索的，我们需要使用 redis/redis-stack-server:latest 这个镜像。

1. docker run -d --name redis-stack-server -p 6379:6379 redis/redis-stack-server:latest

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初始化 RedisVectorStore

1. var vectorStore = new RedisVectorStore(
2.   ConnectionMultiplexer.Connect("localhost:6379").GetDatabase(),
3.   new() { StorageType = RedisStorageType.HashSet });

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初始化 collection

创建一个 collection 来存储用户信息。collection 可以认为就是关系数据库里的 表。

1.   // init collection
2.    var collection = vectorStore.GetCollection<string, UserModel>("ks_user");
3.    await collection.CreateCollectionIfNotExistsAsync();

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初始化 EmbeddingGenerationService

以下还是使用本地的 ollama 服务提供 embedding generation 服务。这个服务是所有 text to vector 的核心。

1. // init embedding serivce
2.     var ollamaApiClient = new OllamaApiClient(new Uri(ollamaEndpoint), modelName);
3.     var embeddingGenerator = ollamaApiClient.AsTextEmbeddingGenerationService();

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Vector CRUD

以下代码演示了如何把 User 的 Description 字段转成 vector 后进行最基本的 Insert、Update、Delete、Get 操作。

1. // init user infos and vector
2. var users = this.CreateUserModels();
3. foreach (var user in users)
4. {
5.      user.DescriptionEmbedding = await embeddingGenerator.GenerateEmbeddingAsync(user.Description);
6. }

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1. // insert or update
2. foreach (var user in users)
3. {
4.     await collection.UpsertAsync(user);           
5. }
7. // get
8. var alice = await collection.GetAsync("1");
9. Console.WriteLine(alice.UserName);
10. var all = collection.GetBatchAsync(users.Select(x=>x.UserId));
11. await foreach(var user in all)
12. {
13.     Console.WriteLine(user.UserName);
14. }
16. // delete
17. await collection.DeleteAsync("1");

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Vector Search

以下演示了如何进行向量相识度搜索。先把问题的文本进行一次向量生成，然后使用这个向量进行搜索。搜索的时候可以配置匹配的字段，以及取前几个结果。

1. // search
2. var vectorSearchOptions = new VectorSearchOptions
3. {
4.     VectorPropertyName = nameof(UserModel.DescriptionEmbedding),
5.     Top = 3
6. };
7. var query = await embeddingGenerator.GenerateEmbeddingAsync("Who hobby is swimming?");
8. var searchResult = await collection.VectorizedSearchAsync(query,vectorSearchOptions);
9. await foreach (var user in searchResult.Results)
10. {
11.     Console.WriteLine(user.Record.UserName);
12.     Console.WriteLine(user.Score);
13. }

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总结

以上我们演示了如何把数据模型向量化后配合 redis 进行 CRUD 的基本操作。同时还演示了把文本问题的向量化搜索，也就是相似的检索。虽然以上演示是配合 redis 运行的，但是 SK 还给我们提供了非常多的选择，你可以快速的选择你喜欢的向量数据库进行存储。比如：Azure Cosmos, Qdrant, PG, SQLite 等等。好了，也没啥可以多说的了，希望这篇文章能帮助到大家学习 SemanticKernel, 谢谢。
示例代码已上传到 github
https://github.com/kklldog/SKLearning

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