汉明距离及其高效计算方式

什么是汉明距离

下面引用自维基百科:

在信息论中,两个等长字符串之间的汉明距离(英语:Hamming distance)是两个字符串对应位置的不同字符的个数。换句话说,它就是将一个字符串变换成另外一个字符串所需要替换的字符个数。

对于两个数字来说,汉明距离就是转成二进制后,对应的位置值不相同的个数。例如,假设有两个十进制数a=93b=73,如果将这两个数用二进制表示的话,有a=1011101b=1001001,可以看出,二者的从右往左数的第3位、第5位不同(从1开始数),因此,ab的汉明距离是2

汉明距离是以理查德·卫斯里·汉明的名字命名的。在通信传输过程中,累计定长二进制字中发生翻转的错误数据位,所以它也被称为信号距离。汉明距离在包括信息论、编码理论、密码学等领域都有应用。

如何计算汉明距离

既然目标是计算两个二进制数的对应位的值不同的个数,我们自然会联想到异或运算。因为异或运算的原则就是相同为0,不同为1。因此,通过计算c = a XOR b,然后统计c中的各二进制位出现的1的次数,就能得到汉明距离了。

为了统计c的二进制格式中1出现的次数,我们可以将c逐步右移,并且每次将其和1(假设位宽是8,也就是00000001)进行与运算,以检测最右边的位是否为1(如果最右边的位是1,那么与运算的结果肯定也是1,否则为0)。一个循环下来,就能检测出c1出现的次数了。

def hammingDistance(x, y):
    xor = x ^ y
    distance = 0
    # 每次右移,最左边都会补零,因此截止条件是xor已经是一个零值了
    while xor:
        if xor & 1:
            distance = distance + 1
        xor = xor >> 1
    return distance

布赖恩·克尼根算法

上述算法是一个很符合直觉的算法,但需要遍历所有的位。这里给出一个更精巧的思路,可以提高性能。

我们先观察如下一个现象:对于任意一个非零的二进制数a(将其看作无符号数),考虑aa-1的关系。由于a非零,那么a中总有一些位为1。假设a中最低位的1处于从右向左数的第N位。那么,a的第N位以及第N位以后的每一位的值和a-1的第N位及第N位以后的每一位的值均不同。

举个例子就很容易理解了。我们以8位数来描述。假设a=10010000,根据上述描述,从右往左数的第一个1出现在第5位,那么有N=5。同时可以计算出a-1=10001111,可以看到,从第N位开始,a的后缀是10000,而a-1的后缀是01111。满足上述描述的现象。

进一步地,我们可以发现,如果对aa-1进行与操作,就会直接消去位于最后一位,也就是第N位的1。还以上面的a为例,a & (a-1)=10000000。可以看到,我们不需要遍历,而是通过一次运算,就可以把a中的最后一个1消掉。如果我们一直重复这项操作,那么a里有多少个1,我们就仅需要多少次a & (a-1)的操作,就能把a化为0了。而这个操作的次数正是我们所要求的。

再举例看一下这个过程。假设一个数x=10010001,那么有:

x = 10010001, x-1 = 10010000, y = x & (x - 1) = 10010000
y = 10010000, y-1 = 10001111, z = y & (y - 1) = 10000000
z = 10000000, z-1 = 01111111, z & (z - 1) = 00000000

x里有31,经过上述过程,只需要3次操作,就能得知x中有多少个1。而如果使用遍历的方法的话,需要8次操作才行。

改进的求汉明距离的代码如下:

def hammingDistance(x, y):
    xor = x ^ y
    distance = 0
    while xor:
        distance = distance + 1
        xor = xor & (xor - 1)
    return distance

这也是leetcode上的一道热题#461,大家可以参考。

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