不了解布隆过滤器？一文给你整的明明白白！
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！
布隆过滤器
- 1.什么是布隆过滤器？
- 2.布隆过滤器的原理介绍。
- 3.布隆过滤器使用场景。
- 4.通过 Java 编程手动实现布隆过滤器。
- 5.利用Google开源的Guava中自带的布隆过滤器。
- 6.Redis 中的布隆过滤器
1.什么是布隆过滤器？
布隆过滤器：它是由二进制向量（或者说位数组）和一系列随机映射函数（哈希函数）两部分组成的比较巧妙的概率性数据结构。
- 特点是高效地插入和查询，但是不易删除，同时返回的结果是概率性的。
同时可以告诉你某个数据一定不存在（可以用到缓存中，防止缓存穿透，判断key是否存在于数据库）和某个数据可能存在！
相比传统的list，map，set效率更高，占用空间更少。 - 使用场景：布隆过滤器可以使用较小的内存处理较大的数据，保存和判断数据是否存在（一定不存在，可能存在）
位数组中的每个元素只占1bit，并且每个元素只能是1或者0，这样申请100万个元素的位数组只占用1000000Bit/8=125000Byte=125000/1024 kb ≈ 122kb 的空间。怎么样是不是极小呀，下面我们来分析它的运行原理。
2.布隆过滤器的原理介绍。
- 当一个元素加入布隆过滤器时，会进行下面的操作：
- 使用布隆过滤其中的hash函数对元素进行计算，得到hash值（有几个hash函数就有几个hash值），
- 根据得到的hash值，把对应的位数组下标中的值置为1,。
- 当我们需要判断一个数据是否存在布隆过滤器中是：
- 对判断的数据再次执行相同的hash函数，
- 得到hash值后判断位数组中对应的下标中的所有值是否都为1，如果值都为1，就说明这个数据在布隆过滤器中，如果存在一个值不为1，说明该数据不在布隆过滤器中。
举个简单的例子：
如图所示，当位数组初始化时，所有的位置都为0，当字符串要加到布隆过滤器中，该字符串通过不同的hash函数生成不同的hash值，然后把hash值对应的位数组下标的元素置为1。
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。
不同的字符串可能得到相同的hash值，可能多个hash出来的位置相同，这种情况可以适当的增加位数组的大小调整hash函数（个数，算法）
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：
- 判断一个数字是否在包含大量（5亿以上）数字的数字集中。
- 防止缓存穿透（请求key的数据绕过缓存，直接作用在数据库，判断key是否存在数据库中）
- 邮箱的垃圾邮件过滤，黑名单功能。
- 去重：
- 比如爬给定网址的时候对已经爬取过的网址去重。
4.通过 Java 编程手动实现布隆过滤器。
下面我们手动是实现布隆过滤器：
步骤：
- 一个合适大小的位数组保存数据
- 几个不同的hash函数。
- 实现 添加数据到位数组（布隆过滤器）
- 实现 判断元素数据是否存在位数组（布隆过滤器）
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
false
true
true
5.利用Google开源的Guava中自带的布隆过滤器。
实际项目中不要自己实现布隆过滤器，Guava 中布隆过滤器的实现算是比较权威的，我们使用它的。
首先：在项目中映入依赖
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>28.0-jre</version>
</dependency>
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<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));
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
- 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。
- 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>
-
常用命令一览
注意： key:布隆过滤器的名称，item : 添加的元素。-
BF.ADD ：将元素添加到布隆过滤器中，如果该过滤器尚不存在，则创建该过滤器。格式：BF.ADD {key} {item}。
-
BF.MADD : 将一个或多个元素添加到“布隆过滤器”中，并创建一个尚不存在的过滤器。该命令的操作方式BF.ADD与之相同，只不过它允许多个输入并返回多个值。格式：BF.MADD {key} {item} [item …] 。
-
**BF.EXISTS ** : 确定元素是否在布隆过滤器中存在。格式：BF.EXISTS {key} {item}。
-
BF.MEXISTS ： 确定一个或者多个元素是否在布隆过滤器中存在格式：BF.MEXISTS {key} {item} [item …]。
-
另外，BF.RESERVE 命令需要单独介绍一下：
这个命令的格式如下：
BF.RESERVE {key} {error_rate} {capacity} [EXPANSION expansion] 。
下面简单介绍一下每个参数的具体含义：- key：布隆过滤器的名称
- error_rate :误报的期望概率。这应该是介于0到1之间的十进制值。例如，对于期望的误报率0.1％（1000中为1），error_rate应该设置为0.001。该数字越接近零，则每个项目的内存消耗越大，并且每个操作的CPU使用率越高。
- capacity: 过滤器的容量。当实际存储的元素个数超过这个值之后，性能将开始下降。实际的降级将取决于超出限制的程度。随着过滤器元素数量呈指数增长，性能将线性下降。
可选参数： - expansion：如果创建了一个新的子过滤器，则其大小将是当前过滤器的大小乘以expansion。默认扩展值为2。这意味着每个后续子过滤器将是前一个子过滤器的两倍。
-
6.4实际使用
127.0.0.1:6379> BF.ADD myFilter java
(integer) 1
127.0.0.1:6379> BF.ADD myFilter javaguide
(integer) 1
127.0.0.1:6379> BF.EXISTS myFilter java
(integer) 1
127.0.0.1:6379> BF.EXISTS myFilter javaguide
(integer) 1
127.0.0.1:6379> BF.EXISTS myFilter github
(integer) 0
参考：JavaGuide改动不大
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