布隆过滤器

布隆过滤器主要是为了解决海量数据的存在性问题。对于海量数据中判定某个数据是否存在且容忍轻微误差这一场景(比如缓存穿透、海量数据去重)来说,非常适合。

什么是布隆过滤器?

布隆过滤器(Bloom Filter,BF)是Bloom于1970年提出的。我们可以把它看作由二进制向量(或者说位数组)和一系列随机映射函数(哈希函数)两部分组成的数据结构。相比于我们平时常用的List、Map、Set等数据结构,它占用空间更少并且效率更高,但是缺点是其返回的结果是概率性的,而不是准确的。理论情况下添加到集合中的元素越多,误报的可能性就越大。并且,存放在布隆过滤器的数据不容易删除。

Bloom Filter会使用一个较大的bit数组来保存所有的数据,数组中的每个元素只占用1bit,并且每个元素只能是0或者1(代表false或者true),这也是Bloom Filter节省内存的核心所在。这样来算的话,申请一个100万个元素的位数组只占用1000000 Bit/8,即约等于122KB的空间

布隆过滤器的位数组

布隆过滤器的原理

向布隆过滤器中添加一个元素时,需要进行如下操作:

  1. 使用布隆过滤器中的哈希函数对元素值进行计算,得到哈希值(有几个哈希函数就得到几个哈希值)。
  2. 根据得到的哈希值,在位数组中把对应下标的值置为1。

当我们需要判断一个元素是否存在于布隆过滤器中时,会进行如下操作:

  1. 对给定元素进行相同的哈希计算。
  2. 得到值之后判断位数组中的每个元素是否都为1,如果值都为1,那么说明这个值在布隆过滤器中,如果存在一个值不为1,说明该元素不在布隆过滤器中。

当字符串加入到布隆过滤器中时的过程如下图:

布隆过滤器的原理图

当我们需要判断某个字符串是否存在于布隆过滤器中时,只需要对给定字符串再次进行相同的哈希计算,得到值之后判断位数组中的每个元素是否都为1,如果值都为1,那么说明这个值在布隆过滤器中,如果存在一个值不为1,说明该元素不在布隆过滤器中。

不同的字符串可能哈希出来的位置相同,这时候我们可以适当增加位数组大小或者调整哈希函数。

综上,我们可以得出:布隆过滤器说某个元素存在,小概率会误判。布隆过滤器说某个元素不在,那么这个元素一定不在。

布隆过滤器的使用场景

  1. 判断给定数据是否存在:比如判断一个数字是否存在于包含大量数字的数字集中(数字集很大,上亿)、防止缓存穿透(判断请求的数据是否有效,从而避免请求绕过缓存请求到数据库)、邮箱的垃圾邮件(判断一个邮件地址是否在垃圾邮件列表中)、黑名单功能(判断一个IP地址或手机号是否在黑名单中)
  2. 去重:比如对巨量的QQ号/订单号去重。

这两个场景都是需要判断给定数据是否存在,因此布隆过滤器主要是为了解决海量数据的存在性问题。

编码实战

通过Java手动实现布隆过滤器

如果要手动实现一个布隆过滤器的话,需要实现以下功能:

  1. 一个合适大小的位数组来保存数据
  2. 多个不同的哈希函数
  3. 添加元素到位数组(布隆过滤器)的实现方法
  4. 判断给定元素是否存在于位数组(布隆过滤器)
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import java.util.BitSet;

public class MyBloomFilter {

public static void main(String[] args) {
String value1 = "https://huangpei.nobugs.net.cn/";
String value2 = "https://github.com/huangpei1993";
MyBloomFilter filter = new MyBloomFilter();
System.out.println(filter.contains(value1));
System.out.println(filter.contains(value2));
filter.add(value1);
filter.add(value2);
System.out.println(filter.contains(value1));
System.out.println(filter.contains(value2));

}
/**
* 位数组的大小
*/
private static final int DEFAULT_SIZE = 2 << 24;
/**
* 通过这个数组可以创建 6 个不同的哈希函数
*/
private static final int[] SEEDS = {3, 13, 46, 71, 91, 134};
/**
* 位数组。数组中的元素只能是 0 或者 1
*/
private BitSet bits;
/**
* 存放包含 hash 函数的类的数组
*/
private MyHash[] hashes = new MyHash[SEEDS.length];

public MyBloomFilter() {
bits = new BitSet(DEFAULT_SIZE);
for (int i = 0; i < SEEDS.length; i++) {
hashes[i] = new MyHash(DEFAULT_SIZE, SEEDS[i]);
}
}

public MyBloomFilter(int size) {
bits = new BitSet(size);
for (int i = 0; i < SEEDS.length; i++) {
hashes[i] = new MyHash(size, SEEDS[i]);
}
}
/**
* 添加元素到位数组
*/
public void add(Object value) {
for (MyHash f : hashes) {
bits.set(f.hash(value), true);
}
}
/**
* 判断指定元素是否存在于位数组
*/
public boolean contains(Object value) {
for (MyHash f : hashes) {
//只要有一个位置为false就提前推出循环
if(!bits.get(f.hash(value))){
return false;
}
}
return true;
}


static class MyHash {
private int cap;
private int seed;

public MyHash(int cap, int seed) {
this.cap = cap;
this.seed = seed;
}

public int hash(Object value) {
int h;
return (value == null) ? 0 : Math.abs((cap - 1) & seed * ((h = value.hashCode()) ^ (h >>> 16)));
}
}
}

利用Google开源的Guava中的布隆过滤器

首先我们需要在项目中引入 Guava 的依赖:

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<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>28.0-jre</version>
</dependency>

创建一个最多存放最多 1500 个整数的布隆过滤器,并且我们可以容忍误判的概率为百分之(0.01)

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// 创建布隆过滤器对象
BloomFilter<Integer> filter = BloomFilter.create(
Funnels.integerFunnel(),
1500,
0.01);
// 判断指定元素是否存在
System.out.println(filter.mightContain(1));
System.out.println(filter.mightContain(2));
// 将元素添加进布隆过滤器
filter.put(1);
filter.put(2);
System.out.println(filter.mightContain(1));
System.out.println(filter.mightContain(2));

上面的代码中,当mightContain()方法返回为true时,我们可以99%确定该元素在过滤器中,当返回false时,我们可以100%确定该元素不存在于过滤器中。

作者

黄培

发布于

2024-08-03

更新于

2026-10-25

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