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:
- 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)。
- 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:
- 对给定元素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。
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
- 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)
- 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:
- 一个合适大小的位数组来保存数据
- 多个不同的哈希函数
- 添加元素到位数组(布隆过滤器)的实现方法
- 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));
}
private static final int DEFAULT_SIZE = 2 << 24;
private static final int[] SEEDS = {3, 13, 46, 71, 91, 134};
private BitSet bits;
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]); } }
public void add(Object value) { for (MyHash f : hashes) { bits.set(f.hash(value), true); } }
public boolean contains(Object value) { for (MyHash f : hashes) { 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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| BloomFilter<Integer> filter = BloomFilter.create( Funnels.integerFunnel(), 1500, 0.01);
System.out.println(filter.mightContain(1)); System.out.println(filter.mightContain(2));
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。