一.布隆過濾器

布隆過濾器（Bloom Filter）是1970年由布隆提出的。它實(shí)際上是一個(gè)很長(zhǎng)的二進(jìn)制向量和一系列隨機(jī)映射函數(shù)。布隆過濾器可以用于檢索一個(gè)元素是否在一個(gè)集合中。它的優(yōu)點(diǎn)是空間效率和查詢時(shí)間都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般的算法，缺點(diǎn)是有一定的誤識(shí)別率和刪除困難。

如果想判斷一個(gè)元素是不是在一個(gè)集合里，一般想到的是將集合中所有元素保存起來，然后通過比較確定。鏈表、樹、散列表（又叫哈希表，Hash table）等等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是這種思路。但是隨著集合中元素的增加，我們需要的存儲(chǔ)空間越來越大。同時(shí)檢索速度也越來越慢，上述三種結(jié)構(gòu)的檢索時(shí)間復(fù)雜度分別為：O(n), O(log n), O(n/k)。

布隆過濾器的原理是，當(dāng)一個(gè)元素被加入集合時(shí)，通過K個(gè)Hash函數(shù)將這個(gè)元素映射成一個(gè)位數(shù)組中的K個(gè)點(diǎn)，把它們置為1。檢索時(shí)，我們只要看看這些點(diǎn)是不是都是1就（大約）知道集合中有沒有它了：如果這些點(diǎn)有任何一個(gè)0，則被檢元素一定不在；如果都是1，則被檢元素很可能在。這就是布隆過濾器的基本思想。

布隆過濾器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

布隆過濾器是一個(gè) bit 向量或者說 bit 數(shù)組，長(zhǎng)這樣：

如果我們要映射一個(gè)值到布隆過濾器中，我們需要使用多個(gè)不同的哈希函數(shù)生成多個(gè)哈希值，并對(duì)每個(gè)生成的哈希值指向的 bit 位置 1，例如針對(duì)值 “baidu” 和三個(gè)不同的哈希函數(shù)分別生成了哈希值 1、4、7，則上圖轉(zhuǎn)變?yōu)椋?/p>

值得注意的是，4 這個(gè) bit 位由于兩個(gè)值的哈希函數(shù)都返回了這個(gè) bit 位，因此它被覆蓋了。現(xiàn)在我們?nèi)绻氩樵?“dianping” 這個(gè)值是否存在，哈希函數(shù)返回了 1、5、8三個(gè)值，結(jié)果我們發(fā)現(xiàn) 5 這個(gè) bit 位上的值為 0，說明沒有任何一個(gè)值映射到這個(gè) bit 位上，因此我們可以很確定地說 “dianping” 這個(gè)值不存在。而當(dāng)我們需要查詢 “baidu” 這個(gè)值是否存在的話，那么哈希函數(shù)必然會(huì)返回 1、4、7，然后我們檢查發(fā)現(xiàn)這三個(gè) bit 位上的值均為 1，那么我們可以說 “baidu” 存在了么？答案是不可以，只能是 “baidu” 這個(gè)值可能存在。

這是為什么呢？答案跟簡(jiǎn)單，因?yàn)殡S著增加的值越來越多，被置為 1 的 bit 位也會(huì)越來越多，這樣某個(gè)值 “taobao” 即使沒有被存儲(chǔ)過，但是萬一哈希函數(shù)返回的三個(gè) bit 位都被其他值置位了 1 ，那么程序還是會(huì)判斷 “taobao” 這個(gè)值存在。

支持刪除么

目前我們知道布隆過濾器可以支持 add 和 isExist 操作，那么 delete 操作可以么，答案是不可以，例如上圖中的 bit 位 4 被兩個(gè)值共同覆蓋的話，一旦你刪除其中一個(gè)值例如 “tencent” 而將其置位 0，那么下次判斷另一個(gè)值例如 “baidu” 是否存在的話，會(huì)直接返回 false，而實(shí)際上你并沒有刪除它。

如何解決這個(gè)問題，答案是計(jì)數(shù)刪除。但是計(jì)數(shù)刪除需要存儲(chǔ)一個(gè)數(shù)值，而不是原先的 bit 位，會(huì)增大占用的內(nèi)存大小。這樣的話，增加一個(gè)值就是將對(duì)應(yīng)索引槽上存儲(chǔ)的值加一，刪除則是減一，判斷是否存在則是看值是否大于0。

代碼簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)布隆過濾器

package com.jd.demo.test;import java.util.Arrays;import java.util.BitSet;import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;public class MyBloomFilter { //你的布隆過濾器容量 private static final int DEFAULT_SIZE = 2 << 28; //bit數(shù)組，用來存放結(jié)果 private static BitSet bitSet = new BitSet(DEFAULT_SIZE); //后面hash函數(shù)會(huì)用到，用來生成不同的hash值，可隨意設(shè)置，別問我為什么這么多8，圖個(gè)吉利 private static final int[] ints = {1, 6, 16, 38, 58, 68}; //add方法，計(jì)算出key的hash值，并將對(duì)應(yīng)下標(biāo)置為true public void add(Object key) { Arrays.stream(ints).forEach(i -> bitSet.set(hash(key, i))); } //判斷key是否存在，true不一定說明key存在，但是false一定說明不存在 public boolean isContain(Object key) { boolean result = true; for (int i : ints) { //短路與，只要有一個(gè)bit位為false，則返回false result = result && bitSet.get(hash(key, i)); } return result; } //hash函數(shù)，借鑒了hashmap的擾動(dòng)算法 private int hash(Object key, int i) { int h; return key == null ? 0 : (i * (DEFAULT_SIZE - 1) & ((h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16))); }}

測(cè)試

public static void main(String[] args) { MyNewBloomFilter myNewBloomFilter = new MyNewBloomFilter(); myNewBloomFilter.add('張學(xué)友'); myNewBloomFilter.add('郭德綱'); myNewBloomFilter.add(666); System.out.println(myNewBloomFilter.isContain('張學(xué)友'));//true System.out.println(myNewBloomFilter.isContain('張學(xué)友 '));//false System.out.println(myNewBloomFilter.isContain('張學(xué)友1'));//false System.out.println(myNewBloomFilter.isContain('郭德綱'));//true System.out.println(myNewBloomFilter.isContain(666));//true System.out.println(myNewBloomFilter.isContain(888));//false}

二.具體代碼使用

在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，我們不需要自己去實(shí)現(xiàn)BloomFilter。可以使用Guava提供的相關(guān)類庫即可。

<dependency> <groupId>com.google.guava</groupId> <artifactId>guava</artifactId> <version>25.1-jre</version></dependency>12345

判斷一個(gè)元素是否在集合中

public class Test1 { 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(); // 獲取開始時(shí)間 //判斷這一百萬個(gè)數(shù)中是否包含29999這個(gè)數(shù) if (bloomFilter.mightContain(29999)) { System.out.println('命中了'); } long endTime = System.nanoTime(); // 獲取結(jié)束時(shí)間 System.out.println('程序運(yùn)行時(shí)間： ' + (endTime - startTime) + '納秒'); }}

運(yùn)行結(jié)果如下：

命中了程序運(yùn)行時(shí)間： 441616納秒

自定義錯(cuò)誤率

public class Test3 { private static int size = 1000000; private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size, 0.01); 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個(gè)不在過濾器里的值，看看有多少個(gè)會(huì)被認(rèn)為在過濾器里 for (int i = size + 10000; i < size + 20000; i++) { if (bloomFilter.mightContain(i)) {list.add(i); } } System.out.println('誤判的數(shù)量：' + list.size()); }}

運(yùn)行結(jié)果如下：

誤判的數(shù)量：941

對(duì)于緩存宕機(jī)的場(chǎng)景，使用白名單或者布隆過濾器都有可能會(huì)造成一定程度的誤判。原因是除了Bloom Filter 本身有誤判率，宕機(jī)之前的緩存不一定能覆蓋到所有DB中的數(shù)據(jù)，當(dāng)宕機(jī)后用戶請(qǐng)求了一個(gè)以前從未請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候就會(huì)產(chǎn)生誤判。當(dāng)然，緩存宕機(jī)時(shí)使用白名單/布隆過濾器作為應(yīng)急的方式，這種情況應(yīng)該也是可以忍受的。

以上就是布隆過濾器的原理以及java 簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于java 布隆過濾器的資料請(qǐng)關(guān)注好吧啦網(wǎng)其它相關(guān)文章！