Redis BloomFilter布隆过滤器原理与实现

Irene ·

更新时间:2024-11-13

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Bloom Filter 概念

Bloom Filter 原理

缓存穿透

Bloom Filter的缺点

常见问题

go语言实现

Bloom Filter 概念

布隆过滤器（英语：Bloom Filter）是1970年由一个叫布隆的小伙子提出的。它实际上是一个很长的二进制向量和一系列随机映射函数。布隆过滤器可以用于检索一个元素是否在一个集合中。它的优点是空间效率和查询时间都远远超过一般的算法，缺点是有一定的误识别率和删除困难。

Bloom Filter 原理

布隆过滤器的原理是，当一个元素被加入集合时，通过K个散列函数将这个元素映射成一个位数组中的K个点，把它们置为1。检索时，我们只要看看这些点是不是都是1就（大约）知道集合中有没有它了：如果这些点有任何一个0，则被检元素一定不在；如果都是1，则被检元素很可能在。这就是布隆过滤器的基本思想。

Bloom Filter跟单哈希函数Bit-Map不同之处在于：Bloom Filter使用了k个哈希函数，每个字符串跟k个bit对应。从而降低了冲突的概率

缓存穿透

每次查询都会直接打到DB

简而言之，言而简之就是我们先把我们数据库的数据都加载到我们的过滤器中，比如数据库的id现在有：1、2、3

那就用id：1 为例子他在上图中经过三次hash之后，把三次原本值0的地方改为1

下次数据进来查询的时候如果id的值是1，那么我就把1拿去三次hash 发现三次hash的值，跟上面的三个位置完全一样，那就能证明过滤器中有1的

反之如果不一样就说明不存在了

那应用的场景在哪里呢？一般我们都会用来防止缓存击穿

简单来说就是你数据库的id都是1开始然后自增的，那我知道你接口是通过id查询的，我就拿负数去查询，这个时候，会发现缓存里面没这个数据，我又去数据库查也没有，一个请求这样，100个，1000个，10000个呢？你的DB基本上就扛不住了，如果在缓存里面加上这个，是不是就不存在了，你判断没这个数据就不去查了，直接return一个数据为空不就好了嘛。

这玩意这么好使那有啥缺点么？有的，我们接着往下看

Bloom Filter的缺点

bloom filter之所以能做到在时间和空间上的效率比较高，是因为牺牲了判断的准确率、删除的便利性

存在误判，可能要查到的元素并没有在容器中，但是hash之后得到的k个位置上值都是1。如果bloom filter中存储的是黑名单，那么可以通过建立一个白名单来存储可能会误判的元素。

删除困难。一个放入容器的元素映射到bit数组的k个位置上是1，删除的时候不能简单的直接置为0，可能会影响其他元素的判断。可以采用Counting Bloom Filter

常见问题

1、为何要使用多个哈希函数？

Hash本身就会面临冲突，如果只使用一个哈希函数，那么冲突的概率会比较高。例如长度100的数组，如果只使用一个哈希函数，添加一个元素后，添加第二个元素时冲突的概率为1%，添加第三个元素时冲突的概率为2%…但如果使用两个哈希函数，添加一个元素后，添加第二个元素时冲突的概率降为万分之4（四种可能的冲突情况，情况总数100x100）

go语言实现

package main
import (
"fmt"
"github.com/bits-and-blooms/bitset"
)
//设置哈希数组默认大小为16
const DefaultSize = 16
//设置种子，保证不同哈希函数有不同的计算方式
var seeds = []uint{7, 11, 13, 31, 37, 61}
//布隆过滤器结构，包括二进制数组和多个哈希函数
type BloomFilter struct {
//使用第三方库
set *bitset.BitSet
//指定长度为6
hashFuncs [6]func(seed uint, value string) uint
}
//构造一个布隆过滤器，包括数组和哈希函数的初始化
func NewBloomFilter() *BloomFilter {
bf := new(BloomFilter)
bf.set = bitset.New(DefaultSize)
for i := 0; i < len(bf.hashFuncs); i++ {
bf.hashFuncs[i] = createHash()
}
return bf
}
//构造6个哈希函数，每个哈希函数有参数seed保证计算方式的不同
func createHash() func(seed uint, value string) uint {
return func(seed uint, value string) uint {
var result uint = 0
for i := 0; i < len(value); i++ {
result = result*seed + uint(value[i])
}
//length = 2^n 时，X % length = X & (length - 1)
return result & (DefaultSize - 1)
}
}
//添加元素
func (b *BloomFilter) add(value string) {
for i, f := range b.hashFuncs {
//将哈希函数计算结果对应的数组位置1
b.set.Set(f(seeds[i], value))
}
}
//判断元素是否存在
func (b *BloomFilter) contains(value string) bool {
//调用每个哈希函数，并且判断数组对应位是否为1
//如果不为1，直接返回false，表明一定不存在
for i, f := range b.hashFuncs {
//result = result && b.set.Test(f(seeds[i], value))
if !b.set.Test(f(seeds[i], value)) {
return false
}
}
return true
}
func main() {
filter := NewBloomFilter()
filter.add("asd")
fmt.Println(filter.contains("asd"))
fmt.Println(filter.contains("2222"))
fmt.Println(filter.contains("155343"))
}

输出结果如下：