0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

聊聊布隆过滤器

马哥Linux运维 来源:顶尖架构师栈 2023-06-30 10:03 次阅读

前言

布隆过滤器作为一个精巧且实用的数据结构,对于后端程序员来讲,学习和理解布隆过滤器有很大的必要性。希望通过这篇文章让更多人了解布隆过滤器的原理,并且会实际去使用它!

什么是布隆过滤器?

布隆过滤器 (Bloom Filter)是由 Burton Howard Bloom 于 1970 年提出,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。而且,存放在布隆过滤器的数据不容易删除。

Bloom Filter 会使用一个较大的 bit 数组来保存所有的数据,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(代表 false 或者 true),这也是 Bloom Filter 节省内存的核心所在。这样来算的话,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。

97017dae-168f-11ee-962d-dac502259ad0.png

位数组

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。

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,上亿)、 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(判断一个邮件地址是否在垃圾邮件列表中)、黑名单功能(判断一个IP地址或手机号码是否在黑名单中)等等。

网页爬虫对URL去重,避免爬取相同的 URL 地址。

比如用户日常刷新闻,每次推荐给该用户的内容不能重复,过滤已经看过的内容。

以上场景都需要判断给定数据是否存在,因此布隆过滤器主要是为了解决海量数据的存在性问题。

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。

Bloom Filter 的简单原理图如下:

971174de-168f-11ee-962d-dac502259ad0.png

Bloom Filter 的简单原理示意图

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,然后将对应的位数组的下标设置为 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。

如何实现布隆过滤器

Guava 实现

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自己去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
BloomFilterfilter=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。

Redis 中的布隆过滤器

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 ,使用户可以根据需要额外集成一些实用功能。






审核编辑:刘清

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • URL
    URL
    +关注

    关注

    0

    文章

    131

    浏览量

    14822
  • JAVA语言
    +关注

    关注

    0

    文章

    138

    浏览量

    19934
  • 过滤器
    +关注

    关注

    1

    文章

    406

    浏览量

    18953

原文标题:聊聊布隆过滤器

文章出处:【微信号:magedu-Linux,微信公众号:马哥Linux运维】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    过滤组、过滤器编号介绍

    一、过滤组、过滤器编号介绍 在STM32互联型产品中,CAN1和CAN2分享28个过滤器组,其它STM32F103xx系列产品中有14个过滤器组,用以对接收到的帧进行
    发表于 08-20 06:13

    CN过滤器原理

    CN过滤器原理 CN过滤器采用整体玻璃钢,耐酸耐碱,一般耐温65℃。内部装有约半米高的悬浮介质层。悬浮过滤介质为1-2mm小球,采用高分子材料加工,密度大约
    发表于 02-25 15:00 26次下载

    过滤器的作用

    本视频主要详细介绍了过滤器的作用,分别是滤速高、过滤效果好;强度高、耐腐蚀;静电作用;过滤物质;拦截;其次介绍了水龙头过滤器的作用,最后介绍了活性炭
    的头像 发表于 12-12 16:23 4.2w次阅读

    解密高效空气过滤器的性能及要求

    高效过滤器生产厂商 三河市科丰电气有限公司高效过滤器。三河市科丰电气有限公司致力于为通信行业、暖通行业、节能行业,过滤行业等行业并提供专业配套产品和服务。高效过滤器产品具有
    发表于 03-19 14:56 1657次阅读

    丝扣Y过滤器

    丝扣Y过滤器是Y过滤器的一种,普通滤材是不锈钢或者碳钢,滤芯普通带有不锈钢骨架。 丝扣Y形过滤器有时也叫做·不锈钢内螺纹Y过滤器。    特性:   1.丝扣Y形
    的头像 发表于 08-13 17:24 3725次阅读

    丝扣Y过滤器过滤器测试原理简介

    丝扣Y过滤器是Y过滤器的一种,普通滤材是不锈钢或者碳钢,滤芯普通带有不锈钢骨架。 丝扣Y形过滤器有时也叫做·不锈钢内螺纹Y过滤器。  特性: 1.丝扣Y形
    发表于 09-05 09:27 2097次阅读

    带排污阀过滤器

    带排污阀过滤器是保送介质的管道系统不可短少的一种过滤安装,带排污阀过滤器通常装置在减压阀、泄压阀、定水位阀或其它设备的进口端,用来肃清介质中的杂质,以维护阀门及设备的正常运用。带排污阀过滤
    的头像 发表于 10-19 10:31 927次阅读

    丝扣Y形过滤器

    丝扣Y形过滤器是保送介质管道上不可短少的一种安装,通常装置在减压阀、泄压阀、定水位阀或其它设备的进口端,用来消弭介质中的杂质,以维护阀门及设备的正常运用。 丝扣Y形过滤器有时也叫做·不锈钢内螺纹
    的头像 发表于 10-24 15:03 3487次阅读

    法兰Y型过滤器

    法兰Y型过滤器是除去液体中少量固体颗粒的小型设备,可维护设备的正常工作,当流体进入置有   规格滤网的滤筒后,其杂质被阻挠,而清洁的滤液则由过滤器出口排出,当需求清洗时,只需将可拆卸的滤筒取出,处置
    的头像 发表于 10-24 15:04 1679次阅读

    Y型过滤器

    Y型过滤器是保送介质的管道系统不可短少的一种过滤安装,Y型过滤器通常装置在减压阀、泄压阀、定水位阀或其它设备的进口端,用来   介质中的杂质,以维护阀门及设备的正常运用。Y型过滤用具有
    发表于 10-25 15:32 1862次阅读

    科普一下12种管道过滤器

    Y型过滤器属于管道粗过滤器,可用于液体、气体或其他介质大颗粒物过滤
    的头像 发表于 01-12 09:57 4891次阅读

    汉克森过滤器系列介绍

    汉克森过滤器 【1】国产品牌滤芯均为我司生产的替代原厂品牌滤芯,其过滤滤材采用德国原装进口HV公司产品,注册商标为“佳洁”牌。本公司涉及的其它品牌均无品牌意义,只是作为产品型号参照和客户选型对照
    发表于 03-01 08:53 870次阅读
    汉克森<b class='flag-5'>过滤器</b>系列介绍

    过滤器药液过滤器滤除率测试仪

    过滤器药液过滤器滤除率测试仪
    的头像 发表于 03-09 14:53 514次阅读
    <b class='flag-5'>过滤器</b>药液<b class='flag-5'>过滤器</b>滤除率测试仪

    贝腾过滤器滤芯

    贝腾过滤器滤芯
    的头像 发表于 04-11 15:09 488次阅读
    贝腾<b class='flag-5'>过滤器</b>滤芯

    杀菌过滤器 灭菌过滤器 除菌过滤器

    杀菌过滤器 灭菌过滤器 除菌过滤器
    的头像 发表于 03-03 14:03 1189次阅读
    杀菌<b class='flag-5'>过滤器</b> 灭菌<b class='flag-5'>过滤器</b> 除菌<b class='flag-5'>过滤器</b>