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Redis BloomFilter布隆过滤器如何实现

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BloomFilter概念布隆过滤器(英语:BloomFilter)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。BloomFilter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

本文目录

      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

      Redis BloomFilter布隆过滤器如何实现

      缓存穿透

      Redis BloomFilter布隆过滤器如何实现

      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:

      true
      false
      false

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