Java中Redis的布隆过滤器详解
作者：猎户星座。
大白话布隆过滤器
本文是站在小白的角度去讨论布隆过滤器，如果你是科班出身，或者比较聪明，又或者真正想完全搞懂布隆过滤器的可以移步。
不知道从什么时候开始，本来默默无闻的布隆过滤器一下子名声大燥，仿佛身在互联网，做着开发的，无人不知，无人不晓，哪怕对技术不是很关心的小伙伴也听过它的名号。我也花了不少时间去研究布隆过滤器，看了不少博客，无奈不是科班出身，又没有那么聪明的头脑，又比较懒...经过“放弃，拿起，放弃，拿起”的无限轮回，应该算是了解了布隆过滤器的核心思想，所以想给大家分享下。
布隆过滤器的应用
我们先来看下布隆过滤器的应用场景，让大家知道神奇的布隆过滤器到底能做什么。
缓存穿透
我们经常会把一部分数据放在Redis等缓存，比如产品详情。这样有查询请求进来，我们可以根据产品Id直接去缓存中取数据，而不用读取数据库，这是提升性能最简单，最普遍，也是最有效的做法。一般的查询请求流程是这样的：先查缓存，有缓存的话直接返回，如果缓存中没有，再去数据库查询，然后再把数据库取出来的数据放入缓存，一切看起来很美好。但是如果现在有大量请求进来，而且都在请求一个不存在的产品Id，会发生什么？既然产品Id都不存在，那么肯定没有缓存，没有缓存，那么大量的请求都怼到数据库，数据库的压力一下子就上来了，还有可能把数据库打死。 虽然有很多办法都可以解决这问题，但是我们的主角是“布隆过滤器”，没错，“布隆过滤器”就可以解决（缓解）缓存穿透问题。至于为什么说是“缓解”，看下去你就明白了。
大量数据，判断给定的是否在其中。（空间换时间的思想）
现在有大量的数据，而这些数据的大小已经远远超出了服务器的内存，现在再给你一个数据，如何判断给你的数据在不在其中。如果服务器的内存足够大，那么用HashMap是一个不错的解决方案，理论上的时间复杂度可以达到O(1)，但是现在数据的大小已经远远超出了服务器的内存，所以无法使用HashMap，这个时候就可以使用“布隆过滤器”来解决这个问题。但是还是同样的，会有一定的“误判率”。
什么是布隆过滤器
布隆过滤器是一个叫“布隆”的人提出的，它本身是一个很长的二进制向量，既然是二进制的向量，那么显而易见的，存放的不是0，就是1。
现在我们新建一个长度为16的布隆过滤器，默认值都是0，就像下面这样：
现在需要添加一个数据：
我们通过某种计算方式，比如Hash1，计算出了Hash1(数据)=5，我们就把下标为5的格子改成1，就像下面这样：
我们又通过某种计算方式，比如Hash2，计算出了Hash2(数据)=9，我们就把下标为9的格子改成1，就像下面这样：
还是通过某种计算方式，比如Hash3，计算出了Hash3(数据)=2，我们就把下标为2的格子改成1，就像下面这样：
这样，刚才添加的数据就占据了布隆过滤器“5”，“9”，“2”三个格子。
可以看出，仅仅从布隆过滤器本身而言，根本没有存放完整的数据，只是运用一系列随机映射函数计算出位置，然后填充二进制向量。
这有什么用呢？比如现在再给你一个数据，你要判断这个数据是否重复，你怎么做？
你只需利用上面的三种固定的计算方式，计算出这个数据占据哪些格子，然后看看这些格子里面放置的是否都是1，如果有一个格子不为1，那么就代表这个数字不在其中。这很好理解吧，比如现在又给你了刚才你添加进去的数据，你通过三种固定的计算方式，算出的结果肯定和上面的是一模一样的，也是占据了布隆过滤器“5”，“9”，“2”三个格子。
但是有一个问题需要注意，如果这些格子里面放置的都是1，不一定代表给定的数据一定重复，也许其他数据经过三种固定的计算方式算出来的结果也是相同的。这也很好理解吧，比如我们需要判断对象是否相等，是不可以仅仅判断他们的哈希值是否相等的。
也就是说布隆过滤器只能判断数据是否一定不存在，而无法判断数据是否一定存在。
按理来说，介绍完了新增、查询的流程，就要介绍删除的流程了，但是很遗憾的是布隆过滤器是很难做到删除数据的，为什么？你想想，比如你要删除刚才给你的数据，你把“5”，“9”，“2”三个格子都改成了0，但是可能其他的数据也映射到了“5”，“9”，“2”三个格子啊，这不就乱套了吗？
相信经过我这么一介绍，大家对布隆过滤器应该有一个浅显的认识了，至少你应该清楚布隆过滤器的优缺点了：
- 优点：由于存放的不是完整的数据，所以占用的内存很少，而且新增，查询速度够快；
- 缺点： 随着数据的增加，误判率随之增加；无法做到删除数据；只能判断数据是否一定不存在，而无法判断数据是否一定存在。
可以看到，布隆过滤器的优点和缺点一样明显。
在上文中，我举的例子二进制向量长度为16，由三个随机映射函数计算位置，在实际开发中，如果你要添加大量的数据，仅仅16位是远远不够的，为了让误判率降低，我们还可以用更多的随机映射函数、更长的二进制向量去计算位置。
guava实现布隆过滤器
现在相信你对布隆过滤器应该有一个比较感性的认识了，布隆过滤器核心思想其实并不难，难的在于如何设计随机映射函数，到底映射几次，二进制向量的长度设置为多少比较好，这可能就不是一般的开发可以驾驭的了，好在Google大佬给我们提供了开箱即用的组件，来帮助我们实现布隆过滤器，现在就让我们看看怎么Google大佬送给我们的“礼物”吧。
首先在pom引入“礼物”：
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>19.0</version>
</dependency>然后就可以测试啦：
private static int size = 1000000;//预计要插入多少数据
private static double fpp = 0.01;//期望的误判率
private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size, fpp);
public static void main(String[] args) {
//插入数据
for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
bloomFilter.put(i);
}
int count = 0;
for (int i = 1000000; i < 2000000; i++) {
if (bloomFilter.mightContain(i)) {
count++;
System.out.println(i + "误判了");
}
}
System.out.println("总共的误判数:" + count);
}代码简单分析： 我们定义了一个布隆过滤器，有两个重要的参数，分别是 我们预计要插入多少数据，我们所期望的误判率，误判率不能为0。 我向布隆过滤器插入了0-1000000，然后用1000000-2000000来测试误判率。
运行结果：
1999501误判了
1999567误判了
1999640误判了
1999697误判了
1999827误判了
1999942误判了
总共的误判数:10314
现在总共有100万数据是不存在的，误判了10314次，我们计算下误判率
和我们定义的期望误判率0.01相差无几。
redis实现布隆过滤器
上面使用guava实现布隆过滤器是把数据放在本地内存中，无法实现布隆过滤器的共享，我们还可以把数据放在redis中，用 redis来实现布隆过滤器，我们要使用的数据结构是bitmap，你可能会有疑问，redis支持五种数据结构：String，List，Hash，Set，ZSet，没有bitmap呀。没错，实际上bitmap的本质还是String。
可能有小伙伴会说，纳尼，布隆过滤器还没介绍完，怎么又出来一个bitmap，没事，你可以把bitmap就理解为一个二进制向量。
要用redis来实现布隆过滤器，我们需要自己设计映射函数，自己度量二进制向量的长度，这对我来说，无疑是一个不可能完成的任务，只能借助搜索引擎，下面直接放出代码把。
public class RedisMain {
static final int expectedInsertions = 1000;//要插入多少数据
static final double fpp = 0.01;//期望的误判率
//bit数组长度
private static long numBits;
//hash函数数量
private static int numHashFunctions;
static {
numBits = optimalNumOfBits(expectedInsertions, fpp);
numHashFunctions = optimalNumOfHashFunctions(expectedInsertions, numBits);
}
public static void main(String[] args) {
Jedis jedis = new Jedis("localhost", 6379);
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
long[] indexArray = getIndexArray(String.valueOf(i));
for (long index : indexArray) {
jedis.setbit("codebear:bloom", index, true);
}
}
int num = 0;
for (int i = 1000; i < 2000; i++) {
long[] indexArray = getIndexArray(String.valueOf(i));
for (long index : indexArray) {
if (!jedis.getbit("codebear:bloom", index)) {
System.out.println(i + "一定不存在");
num++;
break;
}
}
}
System.out.println("一定不存在的有" + num + "个");
}
/**
* 根据key获取bitmap下标
*/
private static long[] getIndexArray(String key) {
long hash1 = hash(key);
long hash2 = hash1 >>> 16;
long[] result = new long[numHashFunctions];
for (int i = 0; i < numHashFunctions; i++) {
long combinedHash = hash1 + i * hash2;
if (combinedHash < 0) {
combinedHash = ~combinedHash;
}
result[i] = combinedHash % numBits;
}
return result;
}
private static long hash(String key) {
return Hashing.MURMUR_HASH.hash(key);
}
//计算hash函数个数
private static int optimalNumOfHashFunctions(long n, long m) {
return Math.max(1, (int) Math.round((double) m / n * Math.log(2)));
}
//计算bit数组长度
private static long optimalNumOfBits(long n, double p) {
if (p == 0) {
p = Double.MIN_VALUE;
}
return (long) (-n * Math.log(p) / (Math.log(2) * Math.log(2)));
}
}运行结果：
1997一定不存在
1998一定不存在
1999一定不存在
一定不存在的有989个
到此这篇关于Java中Redis的布隆过滤器详解的文章就介绍到这了,更多相关Redis布隆过滤器内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！