布隆过滤器-白红宇

布隆过滤器

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发布时间：2019-05-24

本文共 6571 字，大约阅读时间需要 21 分钟。

海量数据处理以及缓存穿透这两个场景让我认识了布隆过滤器，我查阅了一些资料来了解它，但是很多现成资料并不满足我的需求，所以就决定自己总结一篇关于布隆过滤器的文章。希望通过这篇文章让更多人了解布隆过滤器，并且会实际去使用它！

下面我们将分为几个方面来介绍布隆过滤器：

什么是布隆过滤器？

布隆过滤器的原理介绍。

布隆过滤器使用场景。

通过 Java 编程手动实现布隆过滤器。

利用Google开源的Guava中自带的布隆过滤器。

Redis 中的布隆过滤器。

1.什么是布隆过滤器？

首先，我们需要了解布隆过滤器的概念。

布隆过滤器（Bloom Filter）是一个叫做 Bloom 的老哥于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，而不是非常准确的。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。

布隆过滤器示意图

位数组中的每个元素都只占用 1 bit ，并且每个元素只能是 0 或者 1。这样申请一个 100w 个元素的位数组只占用 1000000Bit / 8 = 125000 Byte = 125000/1024 kb ≈ 122kb 的空间。

总结：一个名叫 Bloom 的人提出了一种来检索元素是否在给定大集合中的数据结构，这种数据结构是高效且性能很好的，但缺点是具有一定的错误识别率和删除难度。并且，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。

2.布隆过滤器的原理介绍

当一个元素加入布隆过滤器中的时候，会进行如下操作：

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的时候，会进行如下操作：

对给定元素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。

举个简单的例子：

布隆过滤器hash计算

如图所示，当字符串存储要加入到布隆过滤器中时，该字符串首先由多个哈希函数生成不同的哈希值，然后在对应的位数组的下表的元素设置为 1（当位数组初始化时，所有位置均为0）。当第二次存储相同字符串时，因为先前的对应位置已设置为 1，所以很容易知道此值已经存在（去重非常方便）。

如果我们需要判断某个字符串是否在布隆过滤器中时，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，这种情况我们可以适当增加位数组大小或者调整我们的哈希函数。

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。

3.布隆过滤器使用场景

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，5亿以上！）、防止缓存穿透（判断请求的数据是否有效避免直接绕过缓存请求数据库）等等、邮箱的垃圾邮件过滤、黑名单功能等等。

去重：比如爬给定网址的时候对已经爬取过的 URL 去重。

4.通过 Java 编程手动实现布隆过滤器

我们上面已经说了布隆过滤器的原理，知道了布隆过滤器的原理之后就可以自己手动实现一个了。

如果你想要手动实现一个的话，你需要：

一个合适大小的位数组保存数据

几个不同的哈希函数

添加元素到位数组（布隆过滤器）的方法实现

判断给定元素是否存在于位数组（布隆过滤器）的方法实现。

下面给出一个我觉得写的还算不错的代码（参考网上已有代码改进得到，对于所有类型对象皆适用）：

import java.util.BitSet;

public class MyBloomFilter {

/** * 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 = new int[]{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 = new BitSet(DEFAULT_SIZE);/** * 存放包含 hash 函数的类的数组 */private SimpleHash[] func = new SimpleHash[SEEDS.length];/** * 初始化多个包含 hash 函数的类的数组，每个类中的 hash 函数都不一样 */public MyBloomFilter() {    // 初始化多个不同的 Hash 函数    for (int i = 0; i < SEEDS.length; i++) {        func[i] = new SimpleHash(DEFAULT_SIZE, SEEDS[i]);    }}/** * 添加元素到位数组 */public void add(Object value) {    for (SimpleHash f : func) {        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) {    boolean ret = true;    for (SimpleHash f : func) {        ret = ret && bits.get(f.hash(value));    }    return ret;}/** * 静态内部类。用于 hash 操作！ */public static class SimpleHash {    private int cap;    private int seed;    public SimpleHash(int cap, int seed) {        this.cap = cap;        this.seed = seed;    }    /**     * 计算 hash 值     */    public int hash(Object value) {        int h;        return (value == null) ? 0 : Math.abs(seed * (cap - 1) & ((h = value.hashCode()) ^ (h >>> 16)));    }}

}

测试：

String value1 = "https://javaguide.cn/";    String value2 = "https://github.com/Snailclimb";    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));

Output:

false

true

测试：

Integer value1 = 13423;    Integer value2 = 22131;    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));

Output:

false

true

5.利用Google开源的 Guava中自带的布隆过滤器

自己实现的目的主要是为了让自己搞懂布隆过滤器的原理，Guava 中布隆过滤器的实现算是比较权威的，所以实际项目中我们不需要手动实现一个布隆过滤器。

首先我们需要在项目中引入 Guava 的依赖：


           
    
     com.google.guava
            
    
     guava
            
    
     28.0-jre

实际使用如下：

我们创建了一个最多存放最多 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）

// 创建布隆过滤器对象    BloomFilter
   
     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));

在我们的示例中，当mightContain（）方法返回true时，我们可以99％确定该元素在过滤器中，当过滤器返回false时，我们可以100％确定该元素不存在于过滤器中。

Guava 提供的布隆过滤器的实现还是很不错的（想要详细了解的可以看一下它的源码实现），但是它有一个重大的缺陷就是只能单机使用（另外，容量扩展也不容易），而现在互联网一般都是分布式的场景。为了解决这个问题，我们就需要用到 Redis 中的布隆过滤器了。

6.Redis 中的布隆过滤器

6.1介绍

Redis v4.0 之后有了 Module（模块/插件）功能，Redis Modules 让 Redis 可以使用外部模块扩展其功能。布隆过滤器就是其中的 Module。详情可以查看 Redis 官方对 Redis Modules 的介绍：https://redis.io/modules

另外，官网推荐了一个 RedisBloom 作为 Redis 布隆过滤器的 Module,地址：https://github.com/RedisBloom/RedisBloom. 其他还有：

redis-lua-scaling-bloom-filter （lua 脚本实现）：https://github.com/erikdubbelboer/redis-lua-scaling-bloom-filter

pyreBloom（Python中的快速Redis 布隆过滤器）：https://github.com/seomoz/pyreBloom

…

RedisBloom 提供了多种语言的客户端支持，包括：Python、Java、JavaScript 和 PHP。

6.2使用Docker安装

如果我们需要体验 Redis 中的布隆过滤器非常简单，通过 Docker 就可以了！我们直接在 Google 搜索docker redis bloomfilter 然后在排除广告的第一条搜素结果就找到了我们想要的答案（这是我平常解决问题的一种方式，分享一下），具体地址：https://hub.docker.com/r/redislabs/rebloom/ （介绍的很详细）。

具体操作如下：

➜ ~ docker run -p 6379:6379 --name redis-redisbloom redislabs/rebloom:latest

➜ ~ docker exec -it redis-redisbloom bash

root@21396d02c252:/data# redis-cli

127.0.0.1:6379>