如何利用python實現Simhash算法

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1. 為什麼需要Simhash?

傳統相似度算法：文本相似度的計算，一般使用向量空間模型(VSM)，先對文本分詞，提取特征，根據特征建立文本向量，把文本之間相似度的計算轉化為特征向量距離的計算，如歐式距離、餘弦夾角等。

缺點：大數據情況下復雜度會很高。

Simhash應用場景：計算大規模文本相似度，實現海量文本信息去重。

Simhash算法原理：通過hash值比較相似度，通過兩個字符串計算出的hash值，進行異或操作，然後得到相差的個數，數字越大則差異越大。

2. 文章關鍵詞特征提取算法TD-IDF

詞頻（TF）：一個詞語在整篇文章中出現的次數與詞語總個數之比；

逆向詞頻（IDF)：一個詞語，在所有文章中出現的頻率都非常高，這個詞語不具有代表性，就可以降低其作用，也就是賦予其較小的權值。

分子代表文章總數，分母表示該詞語在這些文章出現的篇數。一般會采取分母加一的方法，防止分母為0的情況出現，在這個比值之後取對數，就是IDF瞭。

最終用tf*idf得到一個詞語的權重，進而計算一篇文章的關鍵詞。然後根據每篇文章對比其關鍵詞的方法來對文章進行去重。simhash算法對效率和性能進行平衡，既可以很少的對比（關鍵詞不能取太多），又能有好的代表性（關鍵詞不能過少）。

3. Simhash原理

Simhash是一種局部敏感hash。即假定A、B具有一定的相似性，在hash之後，仍然能保持這種相似性，就稱之為局部敏感hash。

得到一篇文章關鍵詞集合，通過hash的方法把關鍵詞集合hash成一串二進制，直接對比二進制數，其相似性就是兩篇文檔的相似性，在查看相似性時采用海明距離，即在對比二進制的時候，看其有多少位不同，就稱海明距離為多少。

將文章simhash得到一串64位的二進制，根據經驗一般取海明距離為3作為閾值，即在64位二進制中，隻要有三位以內不同，就可以認為兩個文檔是相似的，這裡的閾值也可以根據自己的需求來設置。也就是把一個文檔hash之後得到一串二進制數的算法，稱這個hash為simhash。

simhash具體實現步驟如下：

  • 1. 將文檔分詞，取一個文章的TF-IDF權重最高的前20個詞（feature）和權重（weight）。即一篇文檔得到一個長度為20的（feature：weight）的集合。
  • 2. 對其中的詞（feature），進行普通的哈希之後得到一個64為的二進制，得到長度為20的（hash : weight）的集合。
  • 3. 根據（2）中得到一串二進制數（hash）中相應位置是1是0，對相應位置取正值weight和負值weight。例如一個詞進過（2）得到（010111：5）進過步驟（3）之後可以得到列表[-5,5,-5,5,5,5]。由此可以得到20個長度為64的列表[weight，-weight…weight]代表一個文檔。
  • 4. 對（3）中20個列表進行列向累加得到一個列表。如[-5,5,-5,5,5,5]、[-3,-3,-3,3,-3,3]、[1,-1,-1,1,1,1]進行列向累加得到[-7，1，-9，9，3，9]，這樣，我們對一個文檔得到，一個長度為64的列表。
  • 5. 對（4）中得到的列表中每個值進行判斷，當為負值的時候去0，正值取1。例如，[-7，1，-9，9，3，9]得到010111，這樣就得到一個文檔的simhash值瞭。
  • 6. 計算相似性。兩個simhash取異或，看其中1的個數是否超過3。超過3則判定為不相似，小於等於3則判定為相似。

Simhash整體流程圖如下：

4. Simhash的不足

完全無關的文本正好對應成瞭相同的simhash，精確度並不是很高，而且simhash更適用於較長的文本，但是在大規模語料進行去重時，simhash的計算速度優勢還是很不錯的。

5. Simhash算法實現

# !/usr/bin/python
# coding=utf-8
class Simhash:
    def __init__(self, tokens='', hashbits=128):
        self.hashbits = hashbits
        self.hash = self.simhash(tokens)
    def __str__(self):
        return str(self.hash)
    # 生成simhash值
    def simhash(self, tokens):
        v = [0] * self.hashbits
        for t in [self._string_hash(x) for x in tokens]:  # t為token的普通hash值
            for i in range(self.hashbits):
                bitmask = 1 << i
                if t & bitmask:
                    v[i] += 1  # 查看當前bit位是否為1,是的話將該位+1
                else:
                    v[i] -= 1  # 否則的話,該位-1
        fingerprint = 0
        for i in range(self.hashbits):
            if v[i] >= 0:
                fingerprint += 1 << i
        return fingerprint  # 整個文檔的fingerprint為最終各個位>=0的和
    # 求海明距離
    def hamming_distance(self, other):
        x = (self.hash ^ other.hash) & ((1 << self.hashbits) - 1)
        tot = 0
        while x:
            tot += 1
            x &= x - 1
        return tot
    # 求相似度
    def similarity(self, other):
        a = float(self.hash)
        b = float(other.hash)
        if a > b:
            return b / a
        else:
            return a / b
    # 針對source生成hash值
    def _string_hash(self, source):
        if source == "":
            return 0
        else:
            x = ord(source[0]) << 7
            m = 1000003
            mask = 2 ** self.hashbits - 1
            for c in source:
                x = ((x * m) ^ ord(c)) & mask
            x ^= len(source)
            if x == -1:
                x = -2
            return x

測試：

if __name__ == '__main__':
    s = 'This is a test string for testing'
    hash1 = Simhash(s.split())
    s = 'This is a string testing 11'
    hash2 = Simhash(s.split())
    print(hash1.hamming_distance(hash2), "   ", hash1.similarity(hash2))

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