1967年，斯坦福大学的两位研究员Cover和Hart，以《战国策》中 “物以类聚，人以群分”的思想，提出了一种实用的机器学习算法。

它的基本思想是这样的：某家餐厅新出了一款汉堡D，不知道如何定价。参考店里已有的商品发现：汉堡A-18元，汉堡B-22元，汉堡C-38元，可乐A-8元，可乐B-9元，薯条A-12元...

根据常识，店家知道新汉堡应该参考已有的汉堡，而不是可乐、薯条的售价（相比可乐、薯条，汉堡D与同类汉堡A/B/C的特征更接近）。于是，他们决定暂时把新汉堡的价格定为汉堡A/B/C的平均价，26元。

这就是被称为数据挖掘10大算法之一的K近邻算法（KNN），利用数据集对特征向量空间进行划分，并作为其分类的模型。

简单的说，假设现在有100种食品（训练集）， ，当一种新食品加入时，找到与该食品最相似的20个食品（12种是汉堡，5种是鸡肉卷，3种是三明治），这20个实例的多数属于某个类，就把该实例分为这个类（汉堡）。

下面我们简单介绍KNN的三要素，重点关注它的实现方法。

01 距离度量

当我们通过特征工程或神经网络获得了数据集和新样本的特征后，首先需要确定一种距离度量策略，来衡量距离的远近。

机器学习领域常用的距离度量方法有欧式距离、余弦距离、曼哈顿距离、dot内积等等。

其中，n维特征的a、b向量的欧式距离体现数值上的绝对差异，余弦距离体现方向上的相对差异。对向量经过归一化处理后，两者的效果基本是等价的。

更多距离度量方法，可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/336946131

02 K值和决策规则

有了距离度量方法后，我们需要确定参数k和最终的决策规则。

如果选择较小的k值，相当于只取少量的样本进行预测，预测结果会对近邻的样本点非常敏感。换句话说，k值减小意味着整体模型变得复杂，容易发生过拟合。

如果选择较大的k值，预测的样本会更多，与实例不太相似的样本也会参与预测，意味着整体的模型变得简单。

极端情况下， ，无论输入样本是什么，都粗暴地预测它属于训练样本中最多的类，模型过于简单，很明显并不可取。所以实际应用中，我们一般先设一个较小的k值，通过交叉验证选取最优的k。

至于决策规则，对于分类而言，一般采用多数表决规则，少数服从多数。对于回归任务，可以采用平均法则。

如果不打算将该算法实际应用的读者，读到这儿就可以啦。相信今后看到KNN这个词，一定不会陌生。想将该算法予以实践的读者，请浏览到最后哦！

03 KNN实现

KNN的原理非常简单，难点在于如何实现KNN算法。受并发、时延等条件限制，高效性往往是我们实际项目中「算法落地」要考虑的重要因素。

实际上，K近邻的实现方法多达数十种，下面将抛砖引玉，介绍几种常用的方法。

线性扫描

即暴力法。将新样本和训练样本逐一比对，最终挑选距离最接近的k个样本，时间复杂度O(n)。

对于样本数量比较少的情况，这种方法简单稳定，已经能有不错的效果。但是数据规模较大时，时间开销线性上升，无法接受。

KD树

KD树是一种树形结构存储算法。

KD树是二叉树，核心思想是对 k 维特征空间不断切分（假设特征维度是100，对于0-99中的每一个维度，以中值递归切分）构造的树，每一个节点是一个超矩形，小于结点的样本划分到左子树，大于结点的样本划分到右子树。

构造完毕后，检索时（1）从根结点出发，递归向下访问KD树。若目标点 x 当前维的坐标小于切分点的坐标，移动到左子树，否则移动到右子树，直到叶结点；（2）以此叶结点为“最近点”，递归地向上回退，查找该结点的兄弟结点中是否存在更近的点，若存在，则更新“最近点”，否则回退；（3）未到达根结点时继续执行（2）；（4）回退到根结点时，搜索结束。

KD树在特征维度小于20时效率最高，一般适用于训练样本数远大于空间维数时的k近邻搜索。当空间维数接近训练实例数时，效率会迅速下降，几乎接近线形扫描。

Annoy

Annoy，全称“Approximate Nearest Neighbors Oh Yeah”，是一种适合实际应用的快速相似查找算法。

Annoy 同样通过建立一个二叉树，使得每个点查找时间复杂度是O(log n)。和KD树不同的是，Annoy没有对k维特征进行切分。

Annoy的每一次空间划分，可以看作聚类数为2的KMeans过程。收敛后在产生的两个聚类中心连线之间建立一条垂线（图中的黑线），把数据空间划分为两部分。

在划分的子空间内不停的迭代划分，直到每个子空间最多只剩下k个数据节点，划分结束。

最终生成的二叉树具有类似如下结构，二叉树底层是叶子节点，记录原始数据；中间节点记录的是分割超平面的信息。查询过程和KD树类似，先从根向叶子结点递归查找，再向上回溯即可。

HNSW

和前几种算法不同，HNSW（Hierarchcal Navigable Small World graphs）是基于图存储的数据结构。

假设我们现在有13个2维数据向量，我们把这些向量放在了一个平面直角坐标系内，隐去坐标系刻度，它们的位置关系如上图所示。

朴素查找法：把某些点和点之间连上线，构成一个查找图，存储备用；当我想查找与粉色点最近的一点时，我从任意一个黑色点出发，计算它和粉色点的距离，与这个任意黑色点有连接关系的点我们称之为“友点”（直译），然后我要计算这个黑色点的所有“友点”与粉色点的距离，从所有“友点”中选出与粉色点最近的一个点，把这个点作为下一个进入点，继续按照上面的步骤查找下去。

如果当前黑色点对粉色点的距离比所有“友点”都近，终止查找，这个黑色点就是我们要找的离粉色点最近的点。

https://blog.csdn.net/u011233351/article/details/85116719

HNSW算法就是对上述朴素思想的改进和优化。

为了达到快速搜索的目标，HNSW在构建图时还至少要满足如下要求：1）图中每个点都有“友点”；2）相近的点都互为“友点”；3）图中所有连线的数量最少；4）配有高速公路机制的构图法。

HNSW低配版——NSW论文中配了这样一张图，黑线是近邻点连线，红线是“高速公路”，如此可以大幅减少平均搜索的路径长度。

在NSW基础之上，HNSW加入跳表结构做了进一步优化。最底层是所有数据点，每一个点都有50%概率进入上一层的有序链表。这样可以保证表层是“高速通道”，底层是精细查找。

通过层状结构，将边按特征半径进行分层，使每个顶点在所有层中平均度数变为常数，从而将NSW的计算复杂度由多重对数复杂度降到了对数复杂度。

关于HNSW的详细介绍可以参考原论文[2]和博客HNSW算法理论的来龙去脉[3]。

04 实验

下面，我将用一组对比实验评估每种算法的性能。

实验在CLUE发布的今日头条短文本分类数据集上进行，训练集规模：53,360条短文本。

实验环境：Ubuntu 16.04.6，CPU：126G/20核，python 3.6

requirement：scikit-learn、annoy、hnswlib、bert-as-service

实验中使用了肖涵博士开源的bert-as-service服务预先将文本编码为768维度的特征向量，作为输入特征。距离度量统一采用欧式距离。

为了方便测试，我从验证集中随机抽取了200条样本，使用不同的KNN实现方法统计top1-top3的查找准确率和时间开销。具体如下：

注：Ball树是KD树的一种改良算法

我们发现，Annoy算法的Top准确率相差不大，200条样本的批量查找速度却从之前的15秒（75ms/条）降到了0.08秒（0.4ms/条），提升了100倍以上。

HNSW算法预测200条样本耗时0.05秒（0.25ms/条），略优于Annoy。

此外，同样的53,360条特征向量（768维度），保存为静态索引文件后，ann索引的大小是227MB，hnsw索引是171MB，从这一点看hnsw也略胜一筹，可以节约部分内存。

实验部分代码可以参考：https://zhuanlan.zhihu.com/p/152522906/

05 总结

本文介绍了K近邻算法，重点关注其实现方式。通过理论介绍和实验证明，Annoy和HNSW是可以在实际业务中落地的算法。

其中Bert/Sentence-Bert+HNSW的组合会有不错的（粗排）召回效果。

K近邻算法的实现方法其实还有很多，感兴趣的同学可以阅读相关论文进一步研究。

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参 考 文 献

[1] K近邻算法哪家强？KDTree、Annoy、HNSW原理和使用方法介绍：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/152522906/edit

[2] Efficient and robust approximate nearest neighbor search using Hierarchical Navigable Small World graphs

[3] 一文看懂HNSW算法理论的来龙去脉：

https://blog.csdn.net/u011233351/article/details/85116719

[4] 快速计算距离Annoy算法原理及Python使用：

https://blog.csdn.net/m0_37850187/article/details/92712490

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