本文已参与「新人创作礼」活动，一起开启掘金创作之路。
1 什么是布隆过滤器
-
布隆过滤器（Bloom Filter）是由布隆（Burton Howard Bloom）在1970年提出的。它实际上是由一个很长的二进制向量和一系列随机映射函数组成，布隆过滤器本质上由一个长度为m的位向量组成。
-
基本的布隆过滤器支持两种操作：测试和添加。
-
用途：布隆过滤器可以用于检索一个元素是否在一个集合中。
-
它的优点是空间效率和查询时间都远远超过一般的算法，缺点是有一定的误识别率和删除困难。
（误识别：元素不存在而说在，不会出现元素在而说不在，即在肯定在，不在可能在）
2 布隆过滤器和HashSet有什么不同
布隆过滤器：
- 基本思想：通过一个Hash函数将一个元素映射成一个位阵列（Bit Array）中的一个点。这样一来，我们只要看看这个点是不是 1 就知道可以集合中有没有它了。这就是布隆过滤器的基本思想。
- 优点：占用空间小，效率高。
- 缺点：存在误差率，不能删除元素。
HashSet：
- 基本思想：利用Hash函数将元素的HashCode取出，放在一个内部的数组或链表中，增删改查元素时一般都是根据元素的HashCode进行操作。
- 优点：使用简单，原理简单。
- 缺点：占用内存大，性能较低。
综上，布隆过滤器主要适用于大量数据的去重，而HashSet等数据结构适合中小量数据的去重和检验。
3 使用布隆过滤器
实现布隆过滤器的方式有很多种，比如：
- Guava实现
- Redis实现
- 自己实现
- …
这里我们使用Google Guava的内置布隆过滤器做演示：
依赖：
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>23.0</version>
</dependency>
代码：
public class Test {
/**
* 过滤器默认容量
*/
private static final int DEFAULT_SIZE = 1000000;
/**
* 自定义误判率，默认0.03，区间（0,1）
*/
private static final double FPP = 0.02;
public static void main(String[] args) {
//初始化一个存储string数据的布隆过滤器,默认误判率是0.03
BloomFilter<String> bf = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(Charsets.UTF_8), DEFAULT_SIZE, FPP);
//用于存放所有实际存在的key，用于是否存在
Set<String> sets = new HashSet<>(DEFAULT_SIZE);
//用于存放所有实际存在的key，用于取出
List<String> lists = new ArrayList<>(DEFAULT_SIZE);
//插入随机字符串
for (int i = 0; i < DEFAULT_SIZE; i++) {
String uuid = UUID.randomUUID().toString();
//添加数据
bf.put(uuid);
sets.add(uuid);
lists.add(uuid);
}
int rightNum = 0;
int wrongNum = 0;
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
// 0-10000之间，可以被100整除的数有100个（100的倍数）
String data = i % 100 == 0 ? lists.get(i / 100) : UUID.randomUUID().toString();
//这里用了might,看上去不是很自信，所以如果布隆过滤器判断存在了,我们还要去sets中实锤
if (bf.mightContain(data)) {
if (sets.contains(data)) {
rightNum++;
continue;
}
wrongNum++;
}
}
BigDecimal percent = new BigDecimal(wrongNum).divide(new BigDecimal(9900), 2, RoundingMode.HALF_UP);
BigDecimal bingo = new BigDecimal(9900 - wrongNum).divide(new BigDecimal(9900), 2, RoundingMode.HALF_UP);
System.out.println("在100W个元素中，判断100个实际存在的元素，布隆过滤器认为存在的：" + rightNum);
System.out.println("在100W个元素中，判断9900个实际不存在的元素，误认为存在的：" + wrongNum + "，命中率：" + bingo + "，误判率：" + percent);
}
}
运行结果：
原理:
布隆过滤器的核心原理就是利用位数组，将元素利用多次Hash映射成位，当判断是否存在时，将被查找元素按相同操作映射，当一个元素可能有多个位，当每个位都为1时证明该元素存在，反之则不存在。
演示：
# 存储元素：
abc ---> {2,3,4}都为1
def ---> {5,6,7}都为1
# 查找元素：
abc ---> {2,3,4}都为1 1==1&&1==1&&1==1 --->true 存在
aaa ---> {2,3,3}都为1 1==1&&1==1&&0==1 --->false 不存在
# 存在误差：
acf ---> {2,3,6}都为1 1==1&&1==1&&1==1 --->true 存在
4 手写简单的布隆过滤器
public class MyBloomFilter {
/**
* 使用加法hash算法，所以定义了一个3个元素的质数数组
*/
private static final int[] primes = new int[]{2, 3, 5};
/**
* 用八个不同的质数，相当于构建8个不同算法
*/
private Hash[] hashList = new Hash[primes.length];
/**
* 创建一个长度为10亿的比特位
*/
private BitSet bits = new BitSet(1000000000);
public MyBloomFilter() {
for (int i = 0; i < primes.length; i++) {
//使用3个质数，创建3种算法
hashList[i] = new Hash(primes[i]);
}
}
/**
* 添加元素
* @param value
*/
public void add(String value) {
for (Hash f : hashList) {
bits.set(f.hash(value), true);
}
}
/**
* 判断是否在布隆过滤器中
* @param value
* @return
*/
public boolean contains(String value) {
if (value == null) {
return false;
}
boolean ret = true;
for (Hash f : hashList) {
//查看3个比特位上的值
ret = ret && bits.get(f.hash(value));
}
return ret;
}
/**
* 加法hash算法
*/
public static class Hash {
private int prime;
public Hash(int prime) {
this.prime = prime;
}
public int hash(String key) {
int hash, i;
for (hash = key.length(), i = 0; i < key.length(); i++) {
hash += key.charAt(i);
}
return (hash % prime);
}
}
public static void main(String[] args) {
MyBloomFilter bloom = new MyBloomFilter();
System.out.println(bloom.contains("2222"));
bloom.add("2222");
//维护1亿个在线用户
for (int i = 1; i < 100000000; i++) {
bloom.add(String.valueOf(i));
}
long begin = System.currentTimeMillis();
System.out.println(begin);
System.out.println(bloom.contains("2222"));
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(end);
System.out.println("判断2222是否存在使用了:" + (end - begin));
}
}
运行结果：
参考文章：
