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布隆过滤器内容完善
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Snailclimb committed Nov 30, 2019
1 parent 5bda607 commit 8c85b74
Showing 1 changed file with 193 additions and 7 deletions.
200 changes: 193 additions & 7 deletions docs/dataStructures-algorithms/data-structure/bloom-filter.md
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Expand Up @@ -6,22 +6,23 @@
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. 总结。
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。
7. 总结。

### 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。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。
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](https://my-blog-to-use.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/2019-11/布隆过滤器-bit数组.png)

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 1000000 / 8 = 125000 B = 15625 byte ≈ 15.3kb 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
### 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:**

Expand All @@ -43,9 +44,194 @@

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。

存在的问题是:**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。**
**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

1. 判断给定数据是否存在:比如判断 防止缓存穿透
2. 去重:比如爬给定网址的时候对已经爬取过的 URL 去重。
1. 判断给定数据是否存在:比如判断一个数字是否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。
2. 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:

1. 一个合适大小的位数组保存数据
2. 几个不同的哈希函数
3. 添加元素到位数组(布隆过滤器)的方法实现
4. 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):

```java
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:

```java
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
```

测试:

```java
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:

```java
false
false
true
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:

```java
<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)

```java
// 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。

### 6.Redis 中的布隆过滤器

- https://juejin.im/post/5bc7446e5188255c791b3360

### 8.其他推荐阅读

1. 详解布隆过滤器的原理,使用场景和注意事项:https://zhuanlan.zhihu.com/p/43263751
2.

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