最牛一篇布隆过滤器详解

前言

我们之前讲了Redis的缓存雪崩、穿透、击穿。在文章里我们说了解决缓存穿透的办法之一，就是布隆过滤器，但是上次并没有讲如何使用布隆过滤器。

作为暖男的老哥，给你们补上，请叫我IT老暖男。

什么是布隆过滤器

布隆过滤器（Bloom Filter），是1970年，由一个叫布隆的小伙子提出的，距今已经五十年了，和老哥一样老。

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，二进制大家应该都清楚，存储的数据不是0就是1，默认是0。

主要用于判断一个元素是否在一个集合中，0代表不存在某个数据，1代表存在某个数据。

懂了吗？作为暖男的老哥在给你们画张图来帮助理解：

布隆过滤器用途

• 解决Redis缓存穿透（今天重点讲解）
• 在爬虫时，对爬虫网址进行过滤，已经存在布隆中的网址，不在爬取。
• 垃圾邮件过滤，对每一个发送邮件的地址进行判断是否在布隆的黑名单中，如果在就判断为垃圾邮件。

以上只是简单的用途举例，大家可以举一反三，灵活运用在工作中。

布隆过滤器原理

存入过程

布隆过滤器上面说了，就是一个二进制数据的集合。当一个数据加入这个集合时，经历如下洗礼（这里有缺点，下面会讲）：

• 通过K个哈希函数计算该数据，返回K个计算出的hash值
• 这些K个hash值映射到对应的K个二进制的数组下标
• 将K个下标对应的二进制数据改成1。

例如，第一个哈希函数返回x，第二个第三个哈希函数返回y与z，那么：X、Y、Z对应的二进制改成1。

如图所示：

查询过程

布隆过滤器主要作用就是查询一个数据，在不在这个二进制的集合中，查询过程如下：

• 通过K个哈希函数计算该数据，对应计算出的K个hash值
• 通过hash值找到对应的二进制的数组下标
• 判断：如果存在一处位置的二进制数据是0，那么该数据不存在。如果都是1，该数据存在集合中。（这里有缺点，下面会讲）

删除过程

一般不能删除布隆过滤器里的数据，这是一个缺点之一，我们下面会分析。

布隆过滤器的优缺点

优点

• 由于存储的是二进制数据，所以占用的空间很小
• 它的插入和查询速度是非常快的，时间复杂度是O（K），可以联想一下HashMap的过程
• 保密性很好，因为本身不存储任何原始数据，只有二进制数据

缺点

这就要回到我们上面所说的那些缺点了。

添加数据是通过计算数据的hash值，那么很有可能存在这种情况：两个不同的数据计算得到相同的hash值。

例如图中的“你好”和“hello”，假如最终算出hash值相同，那么他们会将同一个下标的二进制数据改为1。

这个时候，你就不知道下标为2的二进制，到底是代表“你好”还是“hello”。

由此得出如下缺点：

一、存在误判

假如上面的图没有存"hello"，只存了"你好"，那么用"hello"来查询的时候，会判断"hello"存在集合中。

因为“你好”和“hello”的hash值是相同的，通过相同的hash值，找到的二进制数据也是一样的，都是1。

二、删除困难

到这里我不说大家应该也明白为什么吧，作为你们的暖男老哥，还是讲一下吧。

还是用上面的举例，因为“你好”和“hello”的hash值相同，对应的数组下标也是一样的。

这时候老哥想去删除“你好”，将下标为2里的二进制数据，由1改成了0。

那么我们是不是连“hello”都一起删了呀。（0代表有这个数据，1代表没有这个数据）

到这里是不是对布隆过滤器已经明白了，都说了我是暖男。

实现布隆过滤器

有很多种实现方式，其中一种就是Guava提供的实现方式。

一、引入Guava pom配置

<dependency>
  <groupId>com.google.guava</groupId>
  <artifactId>guava</artifactId>
  <version>29.0-jre</version>
</dependency>

二、代码实现

这里我们顺便测一下它的误判率。

import com.google.common.hash.BloomFilter;
import com.google.common.hash.Funnels;

public class BloomFilterCase {

  /**
   * 预计要插入多少数据
   */
  private static int size = 1000000;

  /**
   * 期望的误判率
   */
  private static double fpp = 0.01;

  /**
   * 布隆过滤器
   */
  private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size, fpp);


  public static void main(String[] args) {
    // 插入10万样本数据
    for (int i = 0; i < size; i++) {
      bloomFilter.put(i);
    }

    // 用另外十万测试数据，测试误判率
    int count = 0;
    for (int i = size; i < size + 100000; i++) {
      if (bloomFilter.mightContain(i)) {
        count++;
        System.out.println(i + "误判了");
      }
    }
    System.out.println("总共的误判数:" + count);
  }
}

运行结果：

10万数据里有947个误判，约等于0.01%，也就是我们代码里设置的误判率：fpp = 0.01。

深入分析代码

核心BloomFilter.create方法

@VisibleForTesting
  static <T> BloomFilter<T> create(
      Funnel<? super T> funnel, long expectedInsertions, double fpp, Strategy strategy) {
    。。。。
}

这里有四个参数：

• funnel：数据类型(一般是调用Funnels工具类中的)
• expectedInsertions：期望插入的值的个数
• fpp：误判率(默认值为0.03)
• strategy：哈希算法

我们重点讲一下fpp参数

fpp误判率

情景一：fpp = 0.01

• 误判个数：947

• 占内存大小：9585058位数

情景二：fpp = 0.03（默认参数）

• 误判个数：3033

• 占内存大小：7298440位数

情景总结

• 误判率可以通过fpp参数进行调节
• fpp越小，需要的内存空间就越大：0.01需要900多万位数，0.03需要700多万位数。
• fpp越小，集合添加数据时，就需要更多的hash函数运算更多的hash值，去存储到对应的数组下标里。（忘了去看上面的布隆过滤存入数据的过程）

上面的numBits，表示存一百万个int类型数字，需要的位数为7298440，700多万位。理论上存一百万个数，一个int是4字节32位，需要481000000=3200万位。如果使用HashMap去存，按HashMap50%的存储效率，需要6400万位。可以看出BloomFilter的存储空间很小，只有HashMap的1/10左右

上面的numHashFunctions表示需要几个hash函数运算，去映射不同的下标存这些数字是否存在（0 or 1）。

解决Redis缓存穿透

上面使用Guava实现的布隆过滤器是把数据放在了本地内存中。分布式的场景中就不合适了，无法共享内存。

我们还可以用Redis来实现布隆过滤器，这里使用Redis封装好的客户端工具Redisson。

其底层是使用数据结构bitMap，大家就把它理解成上面说的二进制结构，由于篇幅原因，bitmap不在这篇文章里讲，我们之后写一篇文章介绍。

代码实现

pom配置：

<dependency>
  <groupId>org.redisson</groupId>
  <artifactId>redisson-spring-boot-starter</artifactId>
  <version>3.13.4</version>
</dependency>

java代码：

public class RedissonBloomFilter {

  public static void main(String[] args) {
    Config config = new Config();
    config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
    config.useSingleServer().setPassword("1234");
    //构造Redisson
    RedissonClient redisson = Redisson.create(config);

    RBloomFilter<String> bloomFilter = redisson.getBloomFilter("phoneList");
    //初始化布隆过滤器：预计元素为100000000L,误差率为3%
    bloomFilter.tryInit(100000000L,0.03);
    //将号码10086插入到布隆过滤器中
    bloomFilter.add("10086");

    //判断下面号码是否在布隆过滤器中
    //输出false
    System.out.println(bloomFilter.contains("123456"));
    //输出true
    System.out.println(bloomFilter.contains("10086"));
  }
}

由于Guava那个版本，我们已经很详细的讲了布隆过滤器的那些参数，这里就不重复赘述了。