1. 为什么还要手搓一个向量数据库
先说结论:如果你只是想给个人项目加个“找相似内容”的能力,又不想为了一个搜索功能专门部署一套 Qdrant 或者 Milvus,那花一小时自己写一个轻量级向量数据库是完全可行的。我这里的“轻量级”不是降级版,而是指针对明确场景做减法之后依然够用的那一版。
顺手把背景交代清楚。Qdrant 和 Milvus 是目前生产环境里用得最多的两款向量数据库,功能覆盖了向量存储、近似最近邻检索、标量过滤、分布式部署、高可用这些能力,性能也确实能打。但问题在于,你的项目如果只是每天几千条向量、数据量在百万以内、没有多少并发访问,部署一个完整服务反而成了负担——容器要占内存、配置要花精力、APi 要学习,这一套下来已经不是一小时能搞定的事了。
所以手搓的核心目标就三个:本地直接嵌入使用、数据持久化、检索质量不输暴力搜索。我在实现里用 Python + numpy 做向量检索,SQLite 存元数据,总代码量不到三百行,实测在十万条 768 维向量上做暴力检索,单次查询大概 30 毫秒左右。这个数字很多人可能觉得一般,但放在“本地工具、小规模应用”这个场景里,它已经够稳够快。
这里也顺便回应一个很常见的疑问:为什么不用 Chroma?Chroma 确实提供了开箱即用的 API,但正因为封装得太好,一旦你 create_collection 之后发现数据库里冒出一堆你根本看不懂的表,出问题的时候都不知道去哪里排查。直接基于 numpy 和 SQLite 自己写过一遍之后,你会很清楚每一条记录存在哪、每个索引是怎么算出来的。这个“掌控感”是手搓最值钱的部分。
再说说适合谁来参考。如果你是刚接触向量检索的算法工程师,或者正在做 RAG 类应用但不想被框架绑死,这个项目能帮你把“向量检索到底是怎么一回事”彻底弄明白。如果你只是想快速实现一个“给笔记做相似推荐”的本地工具,把它嵌进脚本里就够了,完全不必要引入一套分布式系统。
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2. 手搓方案的选型拆解
2.1 暴力搜索为何在小规模场景更实用
绝大多数人一提到向量数据库就会想到 HNSW、IVF、PQ 这些近邻索引,仿佛没有它们就不叫向量数据库。但我得先说一句:在小规模场景下,暴力搜索反而是更可靠的选择。
原因很简单,暴力搜索就是拿查询向量和库里的每一个向量算一遍相似度,取 TopK。这个过程的复杂度是 O(n),其中 n 是向量总数。n 在一万的时候,768 维的向量算一次全量距离在 numpy 里大概两三毫秒;n 到十万,也就二三十毫秒。这个延迟对本地工具来说完全无感。
而 HNSW 这类索引虽然在百万、千万级别能大幅减少计算量,但它的构建过程本身也是要花时间的,而且需要调参:M、efConstruction、efSearch,每个参数都影响召回率和内存占用。同样是一万条数据,构建 HNSW 索引的时间可能比你直接跑几次暴力搜索还慢。更重要的一点是,HNSW 为了保证检索效率,会牺牲一定的召回率。当你的数据量本身不大时,这个牺牲完全没有必要。
我不否认 Qdrant 在生产环境的价值,它在海量数据场景下的工程化能力非常成熟。但“可代替”这个词是分场景的,你要做的第一步就是诚实回答一个问题:我的数据量到底有多大?
如果答案是“百万级以内、单机、无高并发”,暴力搜索就是最优解,没有之一。
2.2 存储层选型:为什么用 SQLite 而不是 JSON 文件
向量本身存在 numpy 的 .npy 文件里,这一点比较直接。但元数据怎么办?也就是每条向量对应的文本内容、标签、创建时间这些附带信息,它们需要支持增删改查,最好是结构化存储。
这里我走过弯路。第一版直接用 JSON 文件存元数据,结构是 list of dict,每次更新整个文件重写。数据量小的时候看起来很省事,但一旦到几万条,加载和写入都开始变慢,而且多线程读写还会遇到文件冲突。
换成 SQLite 之后问题全部解决。SQLite 是单文件数据库,支持事务,支持 SQL 查询,Python 标准库直接内置 sqlite3 模块,谈不上任何额外依赖。它虽然不是为高并发设计的,但对于一个嵌入式的轻量级工具来说,这个并发模型已经足够;更重要的是,你可以直接写 SQL 做聚合查询、按条件过滤,这些都比在 JSON 里手工遍历舒服太多。
我最终的存储结构分成两层:向量矩阵用 .npy 文件,元数据用 SQLite 表。两者通过一个自增的 id 字段关联。这样做的另一个好处是备份很简单——拷走这两个文件就等于备份了整个数据库。
顺带说个实际观察。Chroma 在 create_collection 之后会在存储目录里生成大量表,包括 collections、embeddings、embedding_metadata、segments 等。很多人第一次看到会一头雾水,其实拆开看就清楚了:collections 存的是“有哪些集合”的注册信息,embeddings 存的是向量本身和它的 id,embedding_metadata 存的是每条向量的附加属性,segments 则对应向量索引的分段存储。它的设计是把“集合”“向量”“元数据”“索引”这四个概念彻底分开,好处是灵活,坏处是查问题时要花时间理解它们之间的关系。我自己手搓的版本把表数量压到了最少,核心就一张 data 表加一个用于标记状态的 meta 表。
3. 核心代码实现与关键细节
3.1 数据结构设计:大方向先定下来
先看整体设计。我在实现中把“向量数据库”定义为三个核心类:
- VectorStore:负责向量的增删改查和相似度检索
- StorageManager:负责读写 .npy 文件和 SQLite 元数据
- Metrics:负责计算余弦相似度、内积、L2 距离
每个类的职责单一,互相调用关系清楚。VectorStore 是门面类,用户只用跟它打交道;StorageManager 对用户透明;Metrics 支持三种常见度量方式,方便切换。
python复制# vector_store.py
from typing import List, Dict, Optional, Tuple
import numpy as np
import sqlite3
import os
class Metrics:
"""相似度度量方式"""
@staticmethod
def cosine(a: np.ndarray, b: np.ndarray) -> np.ndarray:
"""余弦相似度,返回形状为 (n_queries, n_vectors) 的矩阵"""
norm_a = a / np.linalg.norm(a, axis=1, keepdims=True)
norm_b = b / np.linalg.norm(b, axis=1, keepdims=True)
return norm_a @ norm_b.T
@staticmethod
def dot(a: np.ndarray, b: np.ndarray) -> np.ndarray:
"""内积,数值越大越相似"""
return a @ b.T
@staticmethod
def l2(a: np.ndarray, b: np.ndarray) -> np.ndarray:
"""L2 距离,数值越小越相似"""
return -np.linalg.norm(a[:, None, :] - b[None, :, :], axis=2)
几个细节值得展开。cosine 计算先对向量做归一化,再走矩阵乘法,这一步比逐条计算快得多;l2 用了广播机制一次性算出所有距离,虽然会临时生成一个 n_query × n 的距离矩阵,但数据量不大时没问题。内积严格来说不是一种距离度量,它更适合处理已经归一化过的向量,此时它和余弦相似度等价。
然后是实现 VectorStore 的主体:
python复制class VectorStore:
def __init__(self, storage_path: str = "./vector_db"):
self.storage_path = storage_path
self.vectors_path = os.path.join(storage_path, "vectors.npy")
self.db_path = os.path.join(storage_path, "metadata.db")
self._init_storage()
def _init_storage(self):
"""初始化存储目录和数据库表"""
os.makedirs(self.storage_path, exist_ok=True)
if os.path.exists(self.vectors_path):
self._vectors = np.load(self.vectors_path)
else:
self._vectors = np.zeros((0, 768), dtype=np.float32)
self._conn = sqlite3.connect(self.db_path)
self._conn.execute("""
CREATE TABLE IF NOT EXISTS data (
id INTEGER PRIMARY KEY AUTOINCREMENT,
text TEXT NOT NULL,
tag TEXT DEFAULT '',
created_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP
)
""")
self._conn.commit()
注意这里默认维度是 768。这个数字来自 OpenAI 的 text-embedding-ada-002 和很多开源 embedding 模型的常见输出维度,做演示足够。如果你的向量维度不同,在初始化时传参覆盖就行。
3.2 增删改查的实现细节
增删改查是任何存储系统的基本盘,但向量数据库有一些特殊之处。比如向量的“改”,本质上要先删掉旧向量再插入新向量;比如“删”,不光要删 SQLite 里的记录,还得把 .npy 里的那一行也处理掉。直接操作 numpy 数组的行索引即可,但要注意内存拷贝的代价。我这里是每次都重建一次数组,因为实际使用频率不高的场景下,这点开销可以忽略;如果你高频更新,可以考虑用 list 攒批再一次性转数组。
python复制 def add(self, vector: np.ndarray, text: str, tag: str = "") -> int:
"""添加一条记录,返回生成的 id"""
vector = np.asarray(vector, dtype=np.float32).reshape(1, -1)
cursor = self._conn.execute(
"INSERT INTO data (text, tag) VALUES (?, ?)", (text, tag)
)
rid = cursor.lastrowid
self._conn.commit()
if self._vectors.shape[0] == 0:
self._vectors = vector
else:
self._vectors = np.concatenate([self._vectors, vector], axis=0)
return rid
def delete(self, rid: int) -> bool:
"""删除指定 id 的记录"""
cursor = self._conn.execute("DELETE FROM data WHERE id = ?", (rid,))
self._conn.commit()
if cursor.rowcount == 0:
return False
# 同步删除向量
# 这里需要把 id 与向量行号对应关系维护好,要单独设计映射
# 一个简单办法是 SQLite 的 id 就是向量矩阵的行号
if rid < len(self._vectors):
self._vectors = np.delete(self._vectors, rid, axis=0)
return True
这个 delete 的实现其实有一个隐患:id 等于行号的前提是数据从来没有被删除过。一旦中间删过一行,后面的 id 与行号就错位了。所以在正式实现里,我用了一个映射字典 _id_to_row,每次增删都维护它。这里为了简洁没有全部贴出来,但你需要意识到这一点。
查询和更新的实现:
python复制 def query(self, vector: np.ndarray, top_k: int = 5, metric: str = "cosine",
tag: Optional[str] = None) -> List[Dict]:
"""查询与输入向量最相似的 top_k 条记录"""
vector = np.asarray(vector, dtype=np.float32).reshape(1, -1)
metric_fn = getattr(Metrics, metric)
scores = metric_fn(vector, self._vectors)[0]
if tag is not None:
# 读出满足 tag 条件的 id 集合
rows = self._conn.execute(
"SELECT id FROM data WHERE tag = ?", (tag,)
).fetchall()
valid_ids = {row[0] for row in rows}
valid_indices = [self._id_to_row[i] for i in valid_ids if i in self._id_to_row]
mask = np.zeros_like(scores, dtype=bool)
mask[valid_indices] = True
scores = np.where(mask, scores, -np.inf if metric == "cosine" else np.inf)
top_indices = np.argsort(scores)[::-1][:top_k]
results = []
for idx in top_indices:
rid = self._row_to_id[idx]
row = self._conn.execute(
"SELECT * FROM data WHERE id = ?", (rid,)
).fetchone()
results.append({
"id": row[0],
"text": row[1],
"tag": row[2],
"created_at": row[3],
"score": float(scores[idx])
})
return results
def update(self, rid: int, vector: Optional[np.ndarray] = None,
text: Optional[str] = None, tag: Optional[str] = None) -> bool:
"""更新指定 id 的向量或元数据"""
existing = self._conn.execute(
"SELECT * FROM data WHERE id = ?", (rid,)
).fetchone()
if existing is None:
return False
new_text = text if text is not None else existing[1]
new_tag = tag if tag is not None else existing[2]
self._conn.execute(
"UPDATE data SET text = ?, tag = ? WHERE id = ?",
(new_text, new_tag, rid)
)
self._conn.commit()
if vector is not None:
row_idx = self._id_to_row[rid]
self._vectors[row_idx] = np.asarray(vector, dtype=np.float32)
return True
查询里有一个细节:当使用 cosine 度量时,分数越大越相似,所以在 tag 过滤时用 -inf 把不满足条件的记录屏蔽掉;而使用 l2 时,分数越小越相似,对应改用 inf。这个问题不处理的话,过滤结果完全是错的。
python复制 def save(self):
"""持久化到磁盘,下次启动时自动加载"""
np.save(self.vectors_path, self._vectors)
self._conn.commit()
3.3 检索效率:一个不算优化的优化
上面那版 query 是纯暴力搜索,十万条数据单次查询 30 毫秒左右,够用了。但如果你的场景是“每天夜里批量灌入一批新向量,白天高频查询”,还可以加一个极简单的“分段索引”优化。
思路是把向量按 tag 分组,比如每一类商品、每一类笔记单独维护一个小的向量矩阵。查询时先定位到相关分组,只在该分组内做暴力搜索。这样一来,即使总数据量到了一百万,只要每个分组只有几万条,查询延迟依然能维持在几十毫秒。
代码实现也不算复杂,给每个 tag 维护一个独立的 np.save 文件即可。代价是查询前得先通过 SQLite 确认自己属于哪个分组,这部分逻辑我用一张 group_index 表来记录。由于分组数量通常不多,这个查询本身的延迟可以忽略。
3.4 关于 Chroma 表结构关联关系的补充
前面提到过,很多人用 Chroma 时看到一堆表会懵。我翻了它的源码之后整理了一段关系说明,供你参考:
- collections 表:集合注册表,每 create_collection 一次就多一行,字段包括 name、metadata、dimension 等。
- collection_metadata 表:集合级别的元数据,和 collections 通过 collection_id 关联。
- embeddings 表:核心数据表,存向量 id、vector 内容(通常是序列化后的字节)、collection_id、segment_id。
- embedding_metadata 表:每条向量自带的 key-value 元数据,通过 embedding_id 关联 embeddings 表。
- segments 表:索引段信息。Chroma 默认把向量索引分成多个 segment 管理,每个 segment 有独立的 id 和 type。
- segment_metadata 表:segment 自身的元数据。
这些表之间的主链路是:collection → segment → embedding → embedding_metadata。理解了这条线,你就能明白为什么 Chroma 删掉一个 collection 时,会连带产生那么多写操作——因为它要清理多条关联表里的记录。
回到我自己的实现,其实核心一张 data 表就够了,映射关系靠 Python 字典维护,这样做的唯一代价是不适合上亿规模。但我反复强调过,本项目定位就是小规模场景,在这个前提下,简单直接就是最优解。
4. 完整测试流程与效果观察
光贴代码不说测试结果,等于没写。我按完整流程跑了一遍增删改查,把关键输出贴在下面。
python复制# test_vector_store.py
if __name__ == "__main__":
import time
store = VectorStore("./test_db")
# 模拟 10000 条 768 维向量
rng = np.random.default_rng(42)
vectors = rng.standard_normal((10000, 768)).astype(np.float32)
t0 = time.time()
for i, vec in enumerate(vectors):
store.add(vec, text=f"这是第{i}条记录", tag=f"tag_{i % 10}")
save_time = time.time() - t0
print(f"写入 10000 条耗时:{save_time:.2f} 秒")
store.save()
# 查询测试
q = rng.standard_normal(768).astype(np.float32)
t0 = time.time()
results = store.query(q, top_k=5)
query_time = time.time() - t0
print(f"查询耗时:{query_time * 1000:.1f} 毫秒")
for r in results:
print(r["id"], r["text"], round(r["score"], 4))
实测数据(同一台机器,M1 Pro,Python 3.10):
| 操作 | 数据量 | 耗时 |
|---|---|---|
| 逐条写入 1 万条 | 768 维 | 2.8 秒 |
| 批量写入 1 万条 | 768 维 | 0.15 秒 |
| 单次查询 TopK=5 | 1 万条 | 3.1 毫秒 |
| 单次查询 TopK=5 | 10 万条 | 28.7 毫秒 |
| 保存到磁盘 | 1 万条 | 18 毫秒 |
看到没有,逐条写入和批量写入差了快二十倍。原因很简单:逐条写入时,每次 np.concatenate 都会触发一次数组重新分配和拷贝,这是 O(n) 的操作;批量写入只需要调用一次。所以如果你有灌数据的场景,一定要写成批量添加的接口。
这里补充一个批量接口的实现思路,其实就是在类里加一个 add_batch(vectors, texts, tags) 方法,先把 vectors 收集到一个 Python list 里,最后一次性 np.array 之后 concat 到现有矩阵,SQLite 部分用 executemany 提交事务。
索引和元数据持久化后的目录结构是这样:
text复制test_db/
├── vectors.npy
└── metadata.db
你把这两个文件拷到别的机器上,用同一个 VectorStore 类加载,数据完全一致。这一点对于“本地工具”来说太重要了,备份和迁移都极其简单。
5. 实践中的常见问题与排查方法
5.1 向量维度不一致导致计算报错
这个问题最常见的出现场景是:你先往库里写了一批 384 维的向量(比如某些轻量模型),后来又混入了 768 维的数据。np.concatenate 会直接报错,提示维度不一致。
排查方法:在 add 和 query 入口处加一个维度校验,不匹配就提前抛出明确异常,而不是让 numpy 在深层报一个难以理解的错误。
python复制def _validate_dim(self, vector: np.ndarray):
if self._vectors.shape[1] != vector.shape[1]:
raise ValueError(
f"向量维度不匹配:存储维度 {self._vectors.shape[1]},"
f"输入维度 {vector.shape[1]}"
)
5.2 id 与行号错位,删除后查询结果混乱
这个坑我在写第一版时踩得很深。当你删除一条记录后,numpy 数组会少一行,如果你依然把 SQLite 自增 id 当作行号来索引,后面的记录会整体错位。轻则查出来的是别人的向量,重则越界报错。
解决方案就是维护两个哈希映射:_id_to_row 和 _row_to_id。每次添加时同步更新,删除时同步清理,查询时通过映射转换。代码里多写几行,但换来的是逻辑上的绝对安全。
5.3 余弦相似度匹配到 NaN
出现 NaN 的原因只有一个:某条向量的模长为 0。这种情况常见于从大模型接口返回的向量里偶发出现全零向量。全零向量归一化时 0/0,结果就是 NaN。一旦矩阵里混入了 NaN,之后所有相似度计算都会受到污染。
处理方法:归一化时对模长为 0 的行做一个安全处理,把这些向量直接过滤掉。
python复制def safe_normalize(a: np.ndarray) -> np.ndarray:
norms = np.linalg.norm(a, axis=1, keepdims=True)
norms[norms == 0] = 1.0
return a / norms
技巧说明一下:把模长为 0 的归一化分母改成 1,结果就变成全 0 向量,和任何向量做内积都是 0,对排序结果没有正向影响,但避免了 NaN 污染。
5.4 SQLite 并发写入报 “database is locked”
这个错误说明有另一个进程或线程长时间占用了数据库写锁。SQLite 本身没有像传统数据库那样并发控制得很强,它更偏向单进程使用。
如果你真有多线程写需求,一个简单的办法:所有写操作通过同一个 sqlite3 连接串行执行,不要每次操作都新建连接。同时把 timeout 参数调大:
python复制self._conn = sqlite3.connect(self.db_path, timeout=10)
另外,写完数据之后要 commit,否则下一个连接可能看不到数据。
5.5 启动时加载慢,数据量大到一定程度
说句实在话,如果哪天你发现 np.load 加载一个 .npy 文件就要好几秒,说明数据量已经不适合用这个方法了。到这一步再去折腾 HNSW 这类索引就变得非常合理。我给一个粗略的评判标准:向量条数超过 200 万,或者单次查询延迟超过 500 毫秒,就该考虑切换到 Qdrant 这类正式的向量数据库了。但在那之前,这个手搓版本完全够用。
6. 手搓版与 Qdrant 的定位差异
花了这么大篇幅实现一个可以工作的向量数据库,最后有必要把话题拉回标题里的“可代替”三个字。
如果你的场景是给公司做生产环境的核心检索服务,数据量千万级,要求高可用、高并发、监控告警、多副本,我强烈建议直接上 Qdrant 或者 Milvus。在这些维度上,手搓版本不可能替代成熟的系统,任何人在这个场景下硬要手搓都是不理智的。
但反过来,如果你的场景是以下任何一种,手搓版本就是比 Qdrant 更合适的选择:
- 个人知识库工具的本地搜索模块
- 基于 RAG 的桌面端应用的原型验证
- 教学场景中帮助学生理解向量检索的本质
- 数据量在百万以内、无高并发、无需分布式的内部工具
在这个范围内,“可代替”不仅成立,而且体验更轻——没有多余的服务进程,没有需要记忆的 API 文档,没有 Docker 镜像的额外依赖。你只需要 import 一个类,调用几个方法。
我这么说不是贬低 Qdrant,恰恰相反,正是因为先理解了 Qdrant 这类系统要解决什么复杂问题,才知道什么时候不需要那些复杂度。技能树上多了一个“从零实现”的节点之后,你再去读 Qdrant 的源码和文档,会发现理解速度不可同日而语。
别怕手搓,手搓过的代码才是真正属于你的东西。最后再分享一点我个人的习惯:这个 VectorStore 类的接口设计和 Qdrant 客户端保持了一致的语义,即 add、query、delete、update。这样以后项目规模上来了,从本地实现切到真正的 Qdrant 服务时,业务代码的改动可以控制到最小。如果你也打算手搓一个,强烈建议从一开始就遵循这个接口约定。
