BloomFilter–大規模數據處理利器

　　Bloom Filter是由Bloom在1970年提出的一種多哈希函數映射的快速查找算法。通常應用在一些需要快速判斷某個元素是否屬于集合，但是并不嚴格要求100%正確的場合。

一.?實例

　　為了說明Bloom Filter存在的重要意義，舉一個實例：

　　假設要你寫一個網絡爬蟲程序（web crawler）。由于網絡間的鏈接錯綜復雜，爬蟲在網絡間爬行很可能會形成“環”。為了避免形成“環”，就需要知道爬蟲程序已經訪問過那些URL。給一個URL，怎樣知道爬蟲程序是否已經訪問過呢？稍微想想，就會有如下幾種方案：

　　1.?將訪問過的URL保存到數據庫。

　　2.?用HashSet將訪問過的URL保存起來。那只需接近O(1)的代價就可以查到一個URL是否被訪問過了。

　　3. URL經過MD5或SHA-1等單向哈希后再保存到HashSet或數據庫。

　　4. Bit-Map方法。建立一個BitSet，將每個URL經過一個哈希函數映射到某一位。

　　方法1~3都是將訪問過的URL完整保存，方法4則只標記URL的一個映射位。

　　以上方法在數據量較小的情況下都能完美解決問題，但是當數據量變得非常龐大時問題就來了。

　　方法1的缺點：數據量變得非常龐大后關系型數據庫查詢的效率會變得很低。而且每來一個URL就啟動一次數據庫查詢是不是太小題大做了？

　　方法2的缺點：太消耗內存。隨著URL的增多，占用的內存會越來越多。就算只有1億個URL，每個URL只算50個字符，就需要5GB內存。

　　方法3：由于字符串經過MD5處理后的信息摘要長度只有128Bit，SHA-1處理后也只有160Bit，因此方法3比方法2節省了好幾倍的內存。

　　方法4消耗內存是相對較少的，但缺點是單一哈希函數發生沖突的概率太高。還記得數據結構課上學過的Hash表沖突的各種解決方法么？若要降低沖突發生的概率到1%，就要將BitSet的長度設置為URL個數的100倍。

二. Bloom Filter的算法

???廢話說到這里，下面引入本篇的主角–Bloom Filter。其實上面方法4的思想已經很接近Bloom Filter了。方法四的致命缺點是沖突概率高，為了降低沖突的概念，Bloom Filter使用了多個哈希函數，而不是一個。

?? Bloom Filter算法如下：

???創建一個m位BitSet，先將所有位初始化為0，然后選擇k個不同的哈希函數。第i個哈希函數對字符串str哈希的結果記為h（i，str），且h（i，str）的范圍是0到m-1?。

(1)?加入字符串過程

　　下面是每個字符串處理的過程，首先是將字符串str“記錄”到BitSet中的過程：

　　對于字符串str，分別計算h（1，str），h（2，str）…… h（k，str）。然后將BitSet的第h（1，str）、h（2，str）…… h（k，str）位設為1。

?

　　很簡單吧？這樣就將字符串str映射到BitSet中的k個二進制位了。

(2)?檢查字符串是否存在的過程

　　下面是檢查字符串str是否被BitSet記錄過的過程：

　　對于字符串str，分別計算h（1，str），h（2，str）…… h（k，str）。然后檢查BitSet的第h（1，str）、h（2，str）…… h（k，str）位是否為1，若其中任何一位不為1則可以判定str一定沒有被記錄過。若全部位都是1，則“認為”字符串str存在。

　　若一個字符串對應的Bit不全為1，則可以肯定該字符串一定沒有被Bloom Filter記錄過。（這是顯然的，因為字符串被記錄過，其對應的二進制位肯定全部被設為1了）

　　但是若一個字符串對應的Bit全為1，實際上是不能100%的肯定該字符串被Bloom Filter記錄過的。（因為有可能該字符串的所有位都剛好是被其他字符串所對應）這種將該字符串劃分錯的情況，稱為false positive?。

(3)?刪除字符串過程

???字符串加入了就被不能刪除了，因為刪除會影響到其他字符串。實在需要刪除字符串的可以使用Counting bloomfilter(CBF)，這是一種基本Bloom Filter的變體，CBF將基本Bloom Filter每一個Bit改為一個計數器，這樣就可以實現刪除字符串的功能了。

　　Bloom Filter跟單哈希函數Bit-Map不同之處在于：Bloom Filter使用了k個哈希函數，每個字符串跟k個bit對應。從而降低了沖突的概率。

三. Bloom Filter參數選擇

?(1)哈希函數選擇

???　　哈希函數的選擇對性能的影響應該是很大的，一個好的哈希函數要能近似等概率的將字符串映射到各個Bit。選擇k個不同的哈希函數比較麻煩，一種簡單的方法是選擇一個哈希函數，然后送入k個不同的參數。

(2) m,n,k值，我們如何取值

我們定義：

可能把不屬于這個集合的元素誤認為屬于這個集合（False Positive）

不會把屬于這個集合的元素誤認為不屬于這個集合（False Negative）。

?

哈希函數的個數k、位數組大小m、加入的字符串數量n的關系。哈希函數個數k取10，位數組大小m設為字符串個數n的20倍時，false positive發生的概率是0.0000889?，即10萬次的判斷中，會存在9次誤判，對于一天1億次的查詢，誤判的次數為9000次。?

?

算法分析：

我們假設kn<m且各個哈希函數是完全隨機的。當集合S={x1, x2,…,xn}的所有元素都被k個哈希函數映射到m位的位數組中時，這個位數組中某一位還是0的概率是：

False Positive的概率是：

p’表示1的概率,k次方表示8次hash都為1的概率。

?當?k = ln 2 * m/n 時，右邊的等式值最小，此時等式轉變成:

?

?四. Bloom Filter實現代碼（簡易版）

??　下面給出一個簡單的Bloom Filter的Java實現代碼：

package org.magnus.utils; import java.util.BitSet; //傳統的Bloom filter 不支持從集合中刪除成員。 //Counting Bloom filter由于采用了計數，因此支持remove操作。 //基于BitSet來實現，性能上可能存在問題 public class SimpleBloomFilter {//DEFAULT_SIZE為2的25次方private static final int DEFAULT_SIZE = 2 << 24;/* 不同哈希函數的種子，一般應取質數,seeds數據共有7個值，則代表采用7種不同的HASH算法 */private static final int[] seeds = new int[] { 5, 7, 11, 13, 31, 37, 61 };//BitSet實際是由“二進制位”構成的一個Vector。假如希望高效率地保存大量“開－關”信息，就應使用BitSet.//BitSet的最小長度是一個長整數（Long）的長度：64位private BitSet bits = new BitSet(DEFAULT_SIZE);/* 哈希函數對象 */private SimpleHash[] func = new SimpleHash[seeds.length];public static void main(String[] args) {String value = "stone2083@yahoo.cn";//定義一個filter，定義的時候會調用構造函數，即初始化七個hash函數對象所需要的信息。SimpleBloomFilter filter = new SimpleBloomFilter();//判斷是否包含在里面。因為沒有調用add方法，所以肯定是返回falseSystem.out.println(filter.contains(value));filter.add(value);System.out.println(filter.contains(value));}//構造函數public SimpleBloomFilter() {for (int i = 0; i < seeds.length; i++) {//給出所有的hash值，共計seeds.length個hash值。共7位。//通過調用SimpleHash.hash(),可以得到根據7種hash函數計算得出的hash值。//傳入DEFAULT_SIZE(最終字符串的長度），seeds[i](一個指定的質數)即可得到需要的那個hash值的位置。func[i] = new SimpleHash(DEFAULT_SIZE, seeds[i]);}}// 將字符串標記到bits中，即設置字符串的7個hash值函數為1public void add(String value) {for (SimpleHash f : func) {bits.set(f.hash(value), true);}}//判斷字符串是否已經被bits標記public boolean contains(String value) {//確保傳入的不是空值if (value == null) {return false;}boolean ret = true;//計算7種hash算法下各自對應的hash值，并判斷for (SimpleHash f : func) {//&&是boolen運算符，只要有一個為0，則為0。即需要所有的位都為1，才代表包含在里面。//f.hash(value)返回hash對應的位數值//bits.get函數返回bitset中對應position的值。即返回hash值是否為0或1。ret = ret && bits.get(f.hash(value));}return ret;}/* 哈希函數類 */public static class SimpleHash {//cap為DEFAULT_SIZE的值，即用于結果的最大的字符串長度。//seed為計算hash值的一個給定key，具體對應上面定義的seeds數組private int cap;private int seed;public SimpleHash(int cap, int seed) {this.cap = cap;this.seed = seed;}//計算hash值的具體算法,hash函數，采用簡單的加權和hashpublic int hash(String value) {//int的范圍最大是2的31次方減1，或超過值則用負數來表示int result = 0;int len = value.length();for (int i = 0; i < len; i++) {//數字和字符串相加，字符串轉換成為ASCII碼result = seed * result + value.charAt(i);//System.out.println(result+"--"+seed+"*"+result+"+"+value.charAt(i));}// System.out.println("result="+result+";"+((cap - 1) & result));// System.out.println(414356308*61+'h'); 執行此運算結果為負數，為什么？//&是java中的位邏輯運算，用于過濾負數（負數與進算轉換成反碼進行）。return (cap - 1) & result;}} }

五：Bloom Filter的優點及應用。

1.2????優缺點分析

1.2.1????????優點：

節約緩存空間（空值的映射），不再需要空值映射。

減少數據庫或緩存的請求次數。

提升業務的處理效率以及業務隔離性。

?

1.2.2????????缺點：

存在誤判的概率。

傳統的Bloom Filter不能作刪除操作。

?

1.3????使用場景

?????????? 適用于特定場景，能夠有效的解決數據庫空查問題。

?????????以公司的某小表查詢為例，該表每天查詢量20億次左右，且數據庫中存在大量的下面的空查:

???????? 目前表中的記錄為8w,即n的值為8w, m=20*n=160w，占用空間大小195KB。以type||CONTENT復合鍵作為key值，假設HASH次數k取值為6,誤判率為:0.0303%(10000次中存在3次誤判)。HASH次數的最優解為14，當k=14時，誤判率為：0.014%(10000次中存在1-2次誤判)。

測試過程及結果如下（源代碼見附件）：

測試場景1：m=1600000;n=80000;最優解k=14;m/n=20;k的次數為:6;對1000w數據進行判定: ? ??????? ?測試結果： 2000w數據誤判的記錄為：3035，誤判率約為0.03035%（和理論值0.0303%相差不大）。判斷2000萬數據的時間為25秒。平均一次判斷時間為:2.5微秒。平均一次hash時間為0.417微秒。

測試場景2：m=1600000;n=80000;最優解k=14;m/n=20;k的次數為:6;對2000w數據進行判定:????測試結果：2000w數據誤判的記錄為：5839，誤判率約為0.029%（理論值為0. 0303%）。判斷1000萬數據的時間為51秒。平均一次判斷時間為:2.55微秒。平均一次hash時間為0.425微秒。

測試場景3：m=1600000;n=80000;最優解k=14;m/n=20;k的次數為:14;對1000w數據進行判定?:??測試結果：1000w數據誤判的記錄為：605，誤判率約為0.00605%（和理論值0. 014%相差不大）。判斷1000萬數據的時間為37秒。平均一次判斷時間為:3.7微秒。平均一次hash時間為0.265微秒。?

?

測試場景4：m=1600000;n=80000;最優解k=14;m/n=20;k的次數為:14;對2000w數據進行判定:?測試結果：2000w數據誤判的記錄為：1224，誤判率約為0.00612%（理論值為0.014%）。判斷1000萬數據的時間為84秒。平均一次判斷時間為:4.2微秒。平均一次hash時間為0.3微秒。

?

?????????其它測試略。

?

結論:

測試	m/n	K（括號內為最優解）	數據基數	誤判數	誤判率	理論值	用時（單位：秒）	一次判定時間(單位：微秒)	一次Hash時間(單位：微秒.估參考)
1	20	6(14)	1000W	3035	0.03035%	0.0303%	25	2.5	0.417
2	20	6(14)	2000W	5839	0.029%	0.0303%	51	2.55	0.425
3	20	14(14)	1000W	605	0.00605%	0.014%	37	3.7	0.265
4	20	14(14)	2000W	1224	0.00612%	0.014%	84	4.2	0.3
5	20	20(14)	1000W	914	0.00914%	不計算	48	4.8	0.24
6	20	20(14)	2000W	1881	0.00941%	不計算	99	4.95	0.2475
7	10	7（7）	1000w	517854	0.786%	0.819%	41	4.1	0.59
8	5	3（3）	1000w	901411	9.014%	9.2%	31	3.1	1.033
9	2	1(1)	1000w	3910726	39.107%	39.3%	29	2.9	2.9
10	2	2(1)	1000w	3961065	39.61%	40%	30	3.0	3.0
11	2	5(1)	1000w	6436696	64.37%	不計算	76	7.6	1.52

?

一次判斷時間計算方式為：總時間/總次數

一次HASH所需時間計算方式為：一次判定時間/每次判斷需要的hash數。

一次HASH所需時間，當執行hash次數越少，基數越小，誤差越大。當一次判斷所需的hash次數越大時，一次hash時間越精確。

?

結論：

m/n的比值越大越好，比較越大，誤判率會越代，但同時會使用更多的空間成本。

???????? Hash次數增加帶來的收益并不大。需要在條件允許的情況下，盡量的擴大m/n的值。

?

六：實施方案思考

?????????適用于一些黑名單,垃圾郵件等的過濾。

?????????當位數組較小時，可以作本地jvm緩存。

當位數組較大時，可以做基于tair的緩存，此時可能需要開辟單獨的應用來提供查詢支持。

?????????此方案，適用的應用場景需要能夠容忍，位數組和的延時。

轉載于:https://www.cnblogs.com/bendantuohai/p/4708039.html

總結

以上是生活随笔為你收集整理的BloomFilter–大规模数据处理利器(转)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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