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[Algorithm] 使用SimHash进行海量文本去重

在之前的两篇博文分别介绍了常用的hash方法（ [Data Structure & Algorithm] Hash那点事儿）以及局部敏感hash算法（ [Algorithm] 局部敏感哈希算法(Locality Sensitive Hashing) ），本文介绍的SimHash是一种局部敏感hash，它也是Google公司进行海量网页去重使用的主要算法。

1. SimHash与传统hash函数的区别

传统的Hash算法只负责将原始内容尽量均匀随机地映射为一个签名值，原理上仅相当于伪随机数产生算法。传统的hash算法产生的两个签名，如果原始内容在一定概率下是相等的；如果不相等，除了说明原始内容不相等外，不再提供任何信息，因为即使原始内容只相差一个字节，所产生的签名也很可能差别很大。所以传统的Hash是无法在签名的维度上来衡量原内容的相似度，而SimHash本身属于一种局部敏感哈希算法，它产生的hash签名在一定程度上可以表征原内容的相似度。

我们主要解决的是文本相似度计算，要比较的是两个文章是否相识，当然我们降维生成了hash签名也是用于这个目的。看到这里估计大家就明白了，我们使用的simhash就算把文章中的字符串变成 01 串也还是可以用于计算相似度的，而传统的hash却不行。我们可以来做个测试，两个相差只有一个字符的文本串，“你妈妈喊你回家吃饭哦，回家罗回家罗” 和 “你妈妈叫你回家吃饭啦，回家罗回家罗”。

通过simhash计算结果为：

1000010010101101 1 11111100000101011010001001111100001 0 0101 1 001011

1000010010101101 0 11111100000101011010001001111100001 1 0101 0 001011

通过传统hash计算为：

0001000001100110100111011011110

1010010001111111110010110011101

大家可以看得出来，相似的文本只有部分 01 串变化了，而普通的hash却不能做到，这个就是局部敏感哈希的魅力。

2. SimHash算法思想

假设我们有海量的文本数据，我们需要根据文本内容将它们进行去重。对于文本去重而言，目前有很多NLP相关的算法可以在很高精度上来解决，但是我们现在处理的是大数据维度上的文本去重，这就对算法的效率有着很高的要求。而局部敏感hash算法可以将原始的文本内容映射为数字（hash签名），而且较为相近的文本内容对应的hash签名也比较相近。SimHash算法是Google公司进行海量网页去重的高效算法，它通过将原始的文本映射为64位的二进制数字串，然后通过比较二进制数字串的差异进而来表示原始文本内容的差异。

3. SimHash流程实现

simhash是由 Charikar 在2002年提出来的，本文为了便于理解尽量不使用数学公式，分为这几步：

（注：具体的事例摘自 Lanceyan 的博客《海量数据相似度计算之simhash和海明距离》）

1、分词，把需要判断文本分词形成这个文章的特征单词。最后形成去掉噪音词的单词序列并为每个词加上权重，我们假设权重分为5个级别（1~5）。比如：“ 美国“51区”雇员称内部有9架飞碟，曾看见灰色外星人 ” ==> 分词后为 “ 美国（4） 51区（5）雇员（3）称（1）内部（2）有（1） 9架（3）飞碟（5）曾（1）看见（3）灰色（4）外星人（5）”，括号里是代表单词在整个句子里重要程度，数字越大越重要。
2、hash，通过hash算法把每个词变成hash值，比如“美国”通过hash算法计算为 100101,“51区”通过hash算法计算为 101011。这样我们的字符串就变成了一串串数字，还记得文章开头说过的吗，要把文章变为数字计算才能提高相似度计算性能，现在是降维过程进行时。
3、加权，通过 2步骤的hash生成结果，需要按照单词的权重形成加权数字串，比如“美国”的hash值为“100101”，通过加权计算为“4 -4 -4 4 -4 4”；“51区”的hash值为“101011”，通过加权计算为 “ 5 -5 5 -5 5 5”。
4、合并，把上面各个单词算出来的序列值累加，变成只有一个序列串。比如 “美国”的 “4 -4 -4 4 -4 4”，“51区”的 “ 5 -5 5 -5 5 5”，把每一位进行累加， “4+5 -4+-5 -4+5 4+-5 -4+5 4+5” ==》 “9 -9 1 -1 1 9”。这里作为示例只算了两个单词的，真实计算需要把所有单词的序列串累加。
5、降维，把4步算出来的 “9 -9 1 -1 1 9” 变成 0 1 串，形成我们最终的simhash签名。如果每一位大于0 记为 1，小于0 记为 0。最后算出结果为：“1 0 1 0 1 1”。

整个过程的流程图为：

[Algorithm] 使用SimHash进行海量文本去重

4. SimHash签名距离计算

我们把库里的文本都转换为simhash签名，并转换为long类型存储，空间大大减少。现在我们虽然解决了空间，但是如何计算两个simhash的相似度呢？难道是比较两个simhash的01有多少个不同吗？对的，其实也就是这样，我们通过海明距离（Hamming distance）就可以计算出两个simhash到底相似不相似。两个simhash对应二进制（01串）取值不同的数量称为这两个simhash的海明距离。举例如下： 1 01 01 和 0 01 10 从第一位开始依次有第一位、第四、第五位不同，则海明距离为3。对于二进制字符串的a和b，海明距离为等于在a XOR b运算结果中1的个数（普遍算法）。

5. SimHash存储和索引

经过simhash映射以后，我们得到了每个文本内容对应的simhash签名，而且也确定了利用汉明距离来进行相似度的衡量。那剩下的工作就是两两计算我们得到的simhash签名的汉明距离了，这在理论上是完全没问题的，但是考虑到我们的数据是海量的这一特点，我们是否应该考虑使用一些更具效率的存储呢？其实SimHash算法输出的simhash签名可以为我们很好建立索引，从而大大减少索引的时间，那到底怎么实现呢？

这时候大家有没有想到hashmap呢，一种理论上具有O(1)复杂度的查找数据结构。我们要查找一个key值时，通过传入一个key就可以很快的返回一个value，这个号称查找速度最快的数据结构是如何实现的呢？看下hashmap的内部结构：

[Algorithm] 使用SimHash进行海量文本去重

如果我们需要得到key对应的value，需要经过这些计算，传入key，计算key的hashcode，得到7的位置；发现7位置对应的value还有好几个，就通过链表查找，直到找到v72。其实通过这么分析，如果我们的hashcode设置的不够好，hashmap的效率也不见得高。借鉴这个算法，来设计我们的simhash查找。通过顺序查找肯定是不行的，能否像hashmap一样先通过键值对的方式减少顺序比较的次数。看下图：

[Algorithm] 使用SimHash进行海量文本去重

存储：

1、将一个64位的simhash签名拆分成4个16位的二进制码。（图上红色的16位）

2、分别拿着4个16位二进制码查找当前对应位置上是否有元素。（放大后的16位）

3、对应位置没有元素，直接追加到链表上；对应位置有则直接追加到链表尾端。（图上的 S1 — SN）

查找：

1、将需要比较的simhash签名拆分成4个16位的二进制码。

2、分别拿着4个16位二进制码每一个去查找simhash集合对应位置上是否有元素。

3、如果有元素，则把链表拿出来顺序查找比较，直到simhash小于一定大小的值，整个过程完成。

原理：

借鉴hashmap算法找出可以hash的key值，因为我们使用的simhash是局部敏感哈希，这个算法的特点是只要相似的字符串只有个别的位数是有差别变化。那这样我们可以推断两个相似的文本，至少有16位的simhash是一样的。具体选择16位、8位、4位，大家根据自己的数据测试选择，虽然比较的位数越小越精准，但是空间会变大。分为4个16位段的存储空间是单独simhash存储空间的4倍。之前算出5000w数据是 382 Mb，扩大4倍1.5G左右，还可以接受