Redis之布隆过滤器
Redis之布隆过滤器
1、布隆过滤器使用场景
比如有如下几个需求:
①、原本有10亿个号码,现在又来了10万个号码,要快速准确判断这10万个号码是否在10亿个号码库中?
解决办法一:将10亿个号码存入数据库中,进行数据库查询,准确性有了,但是速度会比较慢。
解决办法二:将10亿号码放入内存中,比如Redis缓存中,这里我们算一下占用内存大小:10亿*8字节=8GB,通过内存查询,准确性和速度都有了,但是大约8gb的内存空间,挺浪费内存空间的。
②、接触过爬虫的,应该有这么一个需求,需要爬虫的网站千千万万,对于一个新的网站url,我们如何判断这个url我们是否已经爬过了?
解决办法还是上面的两种,很显然,都不太好。
③、同理还有垃圾邮箱的过滤。
那么对于类似这种,大数据量集合,如何准确快速的判断某个数据是否在大数据量集合中,并且不占用内存,布隆过滤器应运而生了。
2、布隆过滤器简介
带着上面的几个疑问,我们来看看到底什么是布隆过滤器。
布隆过滤器:一种数据结构,是由一串很长的二进制向量组成,可以将其看成一个二进制数组。既然是二进制,那么里面存放的不是0,就是1,但是初始默认值都是0。
如下所示:
位图(bitmap)
布隆过滤器其中重要的实现就是位图的实现,也就是位数组,并且在这个数组中每一个位置只占有1个bit,而每个bit只有0和1两种状态。如上图bitarray所示!bitarray也叫bitmap,大小也就是布隆过滤器的大小。
假设一种有k个哈希函数,且每个哈希函数的输出范围都大于m,接着将输出值对k取余(%m),就会得到k个[0, m-1]的值,由于每个哈希函数之间相互独立,因此这k个数也相互独立,最后将这k个数对应到bitarray上并标记为1(涂黑)。
等判断时,将输入对象经过这k个哈希函数计算得到k个值,然后判断对应bitarray的k个位置是否都为1(是否标黑),如果有一个不为黑,那么这个输入对象则不在这个集合中,也就不是黑名单了!如果都是黑,那说明在集合中,但有可能会误,由于当输入对象过多,而集合也就是bitarray过小,则会出现大部分为黑的情况,那样就容易发生误判!因此使用布隆过滤器是需要容忍错误率的,即使很低很低!
判断数据是否存在?
知道了如何向布隆过滤器中添加一个数据,那么新来一个数据,我们如何判断其是否存在于这个布隆过滤器中呢?
很简单,我们只需要将这个新的数据通过上面自定义的几个哈希函数,分别算出各个值,然后看其对应的地方是否都是1,如果存在一个不是1的情况,那么我们可以说,该新数据一定不存在于这个布隆过滤器中。
反过来说,如果通过哈希函数算出来的值,对应的地方都是1,那么我们能够肯定的得出:这个数据一定存在于这个布隆过滤器中吗?
答案是否定的,因为多个不同的数据通过hash函数算出来的结果是会有重复的,所以会存在某个位置是别的数据通过hash函数置为的1。
我们可以得到一个结论:布隆过滤器可以判断某个数据一定不存在,但是无法判断一定存在。
布隆过滤器优缺点
- 优点:优点很明显,二进制组成的数组,占用内存极少,并且插入和查询速度都足够快。
- 缺点:随着数据的增加,误判率会增加;还有无法判断数据一定存在;另外还有一个重要缺点,无法删除数据。
Redis实现布隆过滤器
①、bitmaps
我们知道计算机是以二进制位作为底层存储的基础单位,一个字节等于8位。
比如“big”字符串是由三个字符组成的,这三个字符对应的ASCII码分为是98、105、103,对应的二进制存储如下:
在Redis中,Bitmaps 提供了一套命令用来操作类似上面字符串中的每一个位。
一、设置值
setbit key offset value
三、获取位图指定范围值为1的个数
bitcount key [start end]
如果不指定,那就是获取全部值为1的个数。
注意:start和end指定的是字节的个数,而不是位数组下标。
基于Redisson实现
Redis 实现布隆过滤器的底层就是通过 bitmap 这种数据结构,至于如何实现,这里就不重复造轮子了,介绍业界比较好用的一个客户端工具——Redisson。
Redisson 是用于在 Java 程序中操作 Redis 的库,利用Redisson 我们可以在程序中轻松地使用 Redis。
下面我们就通过 Redisson 来构造布隆过滤器。
public class RedissonBloomFilter { public static void main(String[] args) { Config config = new Config(); config.useSingleServer().setAddress("redis://192.168.14.104:6379"); config.useSingleServer().setPassword("123"); //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 System.out.println(bloomFilter.contains("123456"));//false System.out.println(bloomFilter.contains("10086"));//true } }
这是单节点的Redis实现方式,如果数据量比较大,期望的误差率又很低,那单节点所提供的内存是无法满足的,这时候可以使用分布式布隆过滤器,同样也可以用 Redisson 来实现,这里我就不做代码演示了,大家有兴趣可以试试。
guava 工具实现布隆过滤器
guava 工具包相信大家都用过,这是谷歌公司提供的,里面也提供了布隆过滤器的实现。
public class GuavaBloomFilter {
public static void main(String[] args) {
BloomFilter<String> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(Charsets.UTF_8),100000,0.01);
bloomFilter.put("10086");
System.out.println(bloomFilter.mightContain("123456"));
System.out.println(bloomFilter.mightContain("10086"));
}
}