怎么快速找到：附近的人

附近的人

每周日下午，老王又如约跟大家聊技术干货了。

想必大家都用过微信的“附近的人”这个功能，可以看到你周围都有谁，然后加个好友啥的。而我们出去吃饭，经常拿出大众点评，看看附近有哪些好吃的。更有，我们现在经常用uber或者滴滴打车，你发出一个路线请求，就有附近的司机来抢单。或者，当你用百词斩背单词的时候，可以找个附近的人PK单词量（哈哈哈，看到内置广告了吧~）

我们今天不讨论这个功能在产品上的意义，而是讨论讨论在技术上，他是怎么样来实现的。

好了，正式开始今天的话题吧~

关于经纬度

说到附近的人，第一个要谈到的就是经纬度。想必大家在初中（或者是高中）的地理课本里早就学过了。我们把地球分成横竖交错的一些格子，每个点都可以用横竖坐标来表示。横线表示纬度（范围在[-90°, +90°]），竖线表示经度（范围在[-180°, +180°]）。比如老王所在的位置，就可以在地图上用经纬度来表示：

如何获取经纬度

既然每个人所在位置都可以用经纬度来表示，那我们如何获取呢？我们现在智能手机基本都可以通过GPS或者基站进行定位，只要app调用系统的定位函数，就可以轻易拿到这样的数据（当然，需要用户的确认）。当客户端拿到这样的数据以后，就可以将位置信息上传服务器，由服务器来判定附近有哪些人。

如何查找

好了，该切入关键点了。当服务器收到很多用户的位置信息以后，怎么来判断你周围有哪些人呢？我们先想一个最简单的实现。当平面上只有两个点（分别代表两个人）的时候，我们怎么计算出他们之间的距离呢？

如果把地球看成一个球体，我们比较容易就用立体几何的知识去计算出他们之间的距离。但是这个过程会比较复杂。如果我们相距的两点不是特别远（相对地球半径而言），我们就可以把他们近似看成平面上的两点，用最简单的欧式距离公式d(A,B) = sqrt((x1-x2)^2 + (y1-y2)^2)，便可以得到A和B之间的距离，对吧。

好了，当我们的用户不是太多的时候，我们就可以采用遍历的方法，依次计算出其他所有的点同我的距离d1 d2 ... dk，然后按照距离从小到大排序，得到我们想要的结果，对吧？

看起来一切都很美妙，我们来算算时间复杂度。遍历所有的点，计算距离，是一个O(n)复杂度的算法，然后排序做Top，基本上是一个O(n * lgn)的复杂度。所以，总的看来，是一个O(n * lgn)复杂度的算法。当然，在计算和排序的过程中我们可以做优化。当在几千个点的时候，我们的服务器都可以轻松应对，如果我们的点变多了呢？比如，几万、几十万……

第一种方案：分布式计算

还记得以前老王讲分布式的文章（忘了的同学请到老王的微信simplemain里寻找哈）嘛？

很显然涉及到大量运算的时候，我们可以将这些运算拆分到多个服务器来进行，这样就可以提高我们并行计算的速度和效率。那当我们有几万、十几万用户的时候，我们就可以将这些用户分布到不同的机器上，让每个机器都计算一部分，然后每个机器给出自己机器的Top，最后由某一台或几台汇总，给出最后的结果。

比如，第一台机器计算uid从1-10000的用户和我的距离，并给出最后的top100；第二台机器计算uid从10001-20000的用户和我的距离，并给出最后的top100……以此类推。最后由computer-R来汇总这些top100，并给出排序结果，输出最后的top100。

如果当计算的机器特别多，computer-R就会成为瓶颈，就需要分裂成多台机器，然后再汇总。

这种方案的优点就是：

1、算法实现简单：只需要用单机版的点点距离判断+排序，就可以搞定；

2、前面的结果相对比较精确：因为距离都是非常精确的欧式距离，所以TopK的结果都是比较精确的

不足：

1、消耗机器严重：随着用户量的增加，机器消耗就直线上升；

2、后面的结果相对不那么精确：在每台机器做TopN以后，实际上就扔掉了其余的数据，最后有可能某台机器上一个很优的结果，没有进入到最后的归并排序。

第二种方案：GeoHash

那我们有没有办法降低对机器的消耗，而且还能在全局做到相对准确的结果排序呢？

其实也是有办法的。具体怎么做呢？跟着老王一起往下看吧。

whatto do？

如果我们能将地球划分成一个个很小的方形的格子，在同一个格子里的人，是不是就很接近呢？再如果，我们给每个格子编一个代号，那拥有同一个代号的人，是不是就靠的很近呢？这有可能么？那我们就来试试吧~

howto do？

1、把地球拉成平面：

先假设我们把地球从一个球体拉成一个平面（用几何知识就可以求解相关的对应关系）。

2、按经度将地球切开

我们以经度0°为中轴，将地球切成两半[-180°,0°),[0°，180°]，并对他们进行二进制编码，左边为0，右边为1。

那所有经度坐标在左边的，都得到了0这个编码，而其他的则得到1这个编码。比如，老王所在位置的经纬度值是(104.071398, 30.537445)，老王的经度104.071398∈[0°，180°]，所以编码就是1。

好了，接下来我们就进行第二次切割，还是按照老规矩，我们把现有的两个部分也分别切割成左右两个部分，于是得到这样的一个图：

我们得到四个编码：00 01 10 11，每个编码的第一位是第一次切割时候得到的数字，00 01就是第一切割时在左边，编码为0；第二位就是第二次切割，在左边为00，在右边为01。同理得到10 11。比如，老王所在位置的经纬度值是(104.071398,30.537445)，老王的经度104.071398∈[90°，180°]，所以编码就是11。

如此这样重复N次，我们就可以将地球按经度切割成很多很多的小块，如果切割的次数足够多，那同一个经度值的人，都会在同一个小块儿里，对吧。那也会得到对应这个小块儿的二进制编码。比如老王的经度104.071398经过多次切割得到如下这个表格：

这样，我们就可以得到104.071398的编码是：11001010。随着切分的继续，我们可以得到更长的编码，这样就可以对应更细致的区间。

3、按纬度将地球切开

用同样的方法，我们按照纬度也把地球切成这样的方式，最终得到对应经纬度的编码：

(104.071398, 30.537445) -> (11001010,10101011)

老王简单写了一个编码的实现代码：

有了经纬度的切割，地球就被我们划分成了2ⁿ*2ⁿ个格子，比如当n等于8的时候，这个格子数就是65536。

4、统一编码

为了方便记录，我们把经度和维度的二进制格子编码进行合并，按经度、纬度、经度、维度……这样的顺序，一位一位的进行放置：

(104.071398, 30.537445)

-> (11001010,10101011)

-> 1110010011001101

上面最后的编码，奇数位的红色是经度编码，偶数位的黑色是纬度编码。这样表示起来还是太长了，我们怎么样缩短呢？也很简单，我们可以用16进制、32进制、64进制这样的进制来缩短编码长度。这里业界推荐的是32进制，也就是base32编码。

这样，每5个二进制（2⁵=32）组成一个编码字符，于是：

(104.071398, 30.537445)

-> (11001010, 10101011)

-> 1110010011 00110 1

-> wm6 (3个完整有效进制数)

5、划分的精细度

有了这样的编码，那到底要划分多少次，我们的数据才足够精确呢？我们在维基百科上找到了这样的一张对应表：

当有一个base32数字的时候，精细度大概是2500公里，当有8个数字的时候，精细度大概是0.019km = 19米。也就是说，8个base32的数字 对应 8*5=40个二进制数，也就是经纬度分别划20次，就可以达到19米的精细度。这对于我们平时使用已经足够了。

6、如何查找

有了以上的准备工作，我们就可以给地图上所有的人进行编码了，然后将(user,code)这样的key-value对放入到数据库的user_loc_code表中。当请求某个人附近的人的时候，我只要把这个人的code取出来，然后做一个sql：select * from user_loc_code where code=xxx就可以得到想要的答案了（不过记得要在code上建索引哦^_^）。这个算法的时间复杂度就完全取决于数据库的索引结构（如果是Hash索引，则近似O(1)算法；如果是B-Tree索引，则近似O(lgn)算法）。是不是很简单也很高效呢？

稍等！事情还没完呢。如果这个小方形里没有其他人怎么办？产品经理说：我们还是需要给用户返回最近的人！

那其实也很简单，我们只要把编码长度从1到8的编码都记录下来，我们就拥有了2500km-0.019km范围差的所有值，那我们写sql的时候，最多写8个，就一定能找到我们想要的（一般产品经理会说：我们只要20公里范围内的用户，那sql最多最多就只需要写5个，对吧）。具体的表就可以这样建：

(user, code1, code2, ..., code8)，记得给每个code加上索引哦~

7、话外音

上述的算法，实际上是一个近似算法，我们认为在同一方形格子里的，就是距离最近的，可是实际上呢？

比如，A和C在同一格子里，A和B在不同格子里，但是明显A和B的距离更近，但是却被硬生生的分开了…… 那这种问题我们如何来解决呢？其实也是有办法的。

如果产品要求不高，我们就不需要解决。如果产品确实要求精度比较高，我们可以取求解的格子的周围其他八个格子的点，然后一起来算距离排序。这样，我们就能求解到最精确的值。

====总结的分割线 ====

好了，以上的内容都看懂了嘛？老王其实就喜欢扯扯跟实际工作和生活有关系的一些算法和架构，如果对老王讲的内容感兴趣，就继续在周日下午关注老王的微信(simplemain)吧~

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