内容简介:BloomFilter的关键在于
BloomFilter的关键在于 hash算法 的设定和 bit数组的大小 确定,通过权衡得到一个错误概率可以接受的结果。
算法比较复杂,也不是我们研究的范畴,我们直接使用已有的实现。
google的guava包 中提供了BloomFilter类
1、原理
布隆过滤器的巨大用处就是,能够迅速判断一个元素是否在一个集合中。因此他有如下三个使用场景:
网页爬虫对URL的去重,避免爬取相同的URL地址
反垃圾邮件,从数十亿个垃圾邮件列表中判断某邮箱是否垃圾邮箱(同理,垃圾短信)
缓存击穿,将已存在的缓存放到布隆过滤器中 ,当黑客访问不存在的缓存时迅速返回避免缓存及DB挂掉。
原理:
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。
其内部维护一个全为0的bit数组,需要说明的是,布隆过滤器有一个误判率的概念,误判率越低,则数组越长,所占空间越大。误判率越高则数组越小,所占的空间越小。
假设,根据误判率,我们生成一个10位的bit数组,以及2个hash函数((f_1,f_2)),如下图所示(生成的数组的位数和hash函数的数量,我们不用去关心是如何生成的,有数学论文进行过专业的证明)。
假设输入集合为((N_1,N_2)),经过计算(f_1(N_1))得到的数值得为2,(f_2(N_1))得到的数值为5,则将数组下标为2和下表为5的位置置为1,如下图所示
同理,经过计算(f_1(N_2))得到的数值得为3,(f_2(N_2))得到的数值为6,则将数组下标为3和下表为6的位置置为1,如下图所示
这个时候,我们有第三个数(N_3),我们判断(N_3)在不在集合((N_1,N_2))中,就进行(f_1(N_3),f_2(N_3))的计算
若值恰巧都位于上图的红色位置中,我们则认为,(N_3)在集合((N_1,N_2))中
若值有一个不位于上图的红色位置中,我们则认为,(N_3)不在集合((N_1,N_2))中
以上就是布隆过滤器的计算原理,下面我们进行性能测试,
2、性能测试
(1)新建一个maven工程,引入guava包
<dependencies> <dependency> <groupId>com.google.guava</groupId> <artifactId>guava</artifactId> <version>22.0</version> </dependency> </dependencies>
(2)测试一个元素是否属于一个百万元素集合所需耗时
package bloomfilter; import com.google.common.hash.BloomFilter; import com.google.common.hash.Funnels; import java.nio.charset.Charset; public class Test { private static int size = 1000000; private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size); public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < size; i++) { bloomFilter.put(i); } long startTime = System.nanoTime(); // 获取开始时间 //判断这一百万个数中是否包含29999这个数 if (bloomFilter.mightContain(29999)) { System.out.println("命中了"); } long endTime = System.nanoTime(); // 获取结束时间 System.out.println("程序运行时间: " + (endTime - startTime) + "纳秒"); } }
输出如下所示
命中了
程序运行时间: 219386纳秒
也就是说,判断一个数是否属于一个百万级别的集合,只要0.219ms就可以完成,性能极佳。
(3)误判率的一些概念
首先,我们先不对误判率做显示的设置,进行一个测试,代码如下所示
package bloomfilter; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import com.google.common.hash.BloomFilter; import com.google.common.hash.Funnels; public class Test { private static int size = 1000000; private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size); public static void main(String[] args) { for (int i = 0; i < size; i++) { bloomFilter.put(i); } List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(1000); //故意取10000个不在过滤器里的值,看看有多少个会被认为在过滤器里 for (int i = size + 10000; i < size + 20000; i++) { if (bloomFilter.mightContain(i)) { list.add(i); } } System.out.println("误判的数量:" + list.size()); } }
输出结果如下
误判对数量:330
如果上述代码所示,我们故意取10000个不在过滤器里的值,却还有330个被认为在过滤器里,这说明了误判率为0.03.即,在不做任何设置的情况下,默认的误判率为0.03。
下面上源码来证明:
构造方法改为:
private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size,0.01);
此时误判率为0.01.
4、实际使用
伪代码:
String get(String key) { String value = redis.get(key); if (value == null) { if(!bloomfilter.mightContain(key)){ return null; }else{ value = db.get(key); redis.set(key, value); } } return value; }
缺点:
需要另外维护一个集合来存放缓存的Key
布隆过滤器不支持删值操作
以上就是本文的全部内容,希望本文的内容对大家的学习或者工作能带来一定的帮助,也希望大家多多支持 码农网
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