Java实现布隆过滤器

背景：

为预防大量黑客故意发起非法的时间查询请求，造成缓存击穿，建议采用布隆过滤器的方法解决。布隆过滤器通过一个很长的二进制向量和一系列随机映射函数（哈希函数）来记录与识别某个数据是否在一个集合中。如果数据不在集合中，能被识别出来，不需要到数据库中进行查询，所以能将数据库查询返回值为空的查询过滤掉。

缓存穿透： 缓存穿透是查询一个根本不存在的数据，由于缓存是不命中时需要从数据库查询，这将导致这个不存在的数据每次请求都要到数据库去查询，进而给数据库带来压力。

1.什么是布隆过滤器

布隆过滤器（Bloom Filter）： 1970年由布隆提出的。它实际上是一个很长的二进制向量和一系列的随机映射函数（哈希函数）两部分组成的数据结构。

用途： 用于检索一个元素是否在一个集合中。

优点：

• 时间复杂度低，增加及查询元素的时间复杂度都是O(k)，k为Hash函数的个数；
• 占用存储空间小，布隆过滤器相对于其他数据结构（如Set、Map）非常节省空间。

缺点：

• 存在误判，只能证明一个元素一定不存在或者可能存在，返回结果是概率性的，但是可以通过调整参数来降低误判比例；
• 删除困难，一个元素映射到bit数组上的k个位置为1，删除的时候不能简单的直接置为0，可能会影响到其他元素的判断。

2.布隆过滤器的原理

当一个元素加入布隆过滤器中的时候，会进行如下操作：

1. 使用布隆过滤器中的哈希函数对元素进行计算，得到哈希值（有几个哈希函数得到几个哈希值）。
2. 根据得到的哈希值，在位数组中把对应下标的值置为1。

当我们需要判断一个元素是否位于布隆过滤器的时候，会进行如下操作：

1. 对给定元素再次进行相同的哈希计算；
2. 得到值之后判断位数组中的每个元素是否都为1，如果值都为1，那么说明这个值在布隆过滤器中，如果存在一个值不为1，说明该元素不在布隆过滤器中。

举个简单的例子：

如图所示，当字符串存储要加入到布隆过滤器中时，该字符串首先由多个哈希函数生成不同的哈希值，然后将对应的位数组的下标设置为 1 （当位数组初始化时，所有位置均为 0）。当第二次存储相同字符串时，因为先前的对应位置已设置为 1，所以很容易知道此值已经存在（去重非常方便）；

如果我们需要判断某个字符串是否在布隆过滤器中时，只需要对给定字符串再次进行相同的哈希计算，得到值之后判断位数组中的某个元素是否都为1，如果值都为1，那么说明这个值在布隆过滤器中，如果存在一个值不为1，说明该元素不在布隆过滤器中。

不同的字符串可能哈希出来的位置相同，这种情况我们可以适当增加位数组大小或者调整我们的哈希函数。

综上，我们可以得出：布隆过滤器说某个元素存在，小概率会误判。布隆过滤器说某个元素不存在，那么这个元素一定不在。

3.布隆过滤器的使用场景

• 判断给定数据是否存在：比如判断一个数字是否在于包含大量数字的数字集中（数字集很大，5亿以上）、防止缓存穿透（判断请求的数据是否有效避免直接绕过缓存请求数据库）、邮箱的垃圾邮件过滤、黑名单功能等。
• 去重：爬给定网址的时候对已经爬取过的URL去重。

4.Java实现布隆过滤器

MyBloomFilter.java

import java.util.BitSet;

/**
 * <p> @Title MyBloomFilter
 * <p> @Description 布隆过滤器实现
 *
 * @author zhj
 * @date 2022/11/10 9:06
 */
public class MyBloomFilter {

    /**
     * 位数组大小
     */
    private static final int DEFAULT_SIZE = 2 << 24;

    /**
     * 通过这个数组创建多个Hash函数
     */
    private static final int[] SEEDS = new int[]{6, 18, 64, 89, 126, 189, 223};

    /**
     * 初始化位数组，数组中的元素只能是 0 或者 1
     */
    private BitSet bits = new BitSet(DEFAULT_SIZE);

    /**
     * Hash函数数组
     */
    private MyHash[] myHashes = new MyHash[SEEDS.length];

    /**
     * 初始化多个包含 Hash 函数的类数组，每个类中的 Hash 函数都不一样
     */
    public MyBloomFilter() {
        // 初始化多个不同的 Hash 函数
        for (int i = 0; i < SEEDS.length; i++) {
            myHashes[i] = new MyHash(DEFAULT_SIZE, SEEDS[i]);
        }
    }

    /**
     * 添加元素到位数组
     */
    public void add(Object value) {
        for (MyHash myHash : myHashes) {
            bits.set(myHash.hash(value), true);
        }
    }

    /**
     * 判断指定元素是否存在于位数组
     */
    public boolean contains(Object value) {
        boolean result = true;
        for (MyHash myHash : myHashes) {
            result = result && bits.get(myHash.hash(value));
        }
        return result;
    }

    /**
     * 自定义 Hash 函数
     */
    private class MyHash {
        private int cap;
        private int seed;

        MyHash(int cap, int seed) {
            this.cap = cap;
            this.seed = seed;
        }

        /**
         * 计算 Hash 值
         */
        int hash(Object obj) {
            return (obj == null) ? 0 : Math.abs(seed * (cap - 1) & (obj.hashCode() ^ (obj.hashCode() >>> 16)));
        }
    }
}

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    String s1 = "Hello";
    MyBloomFilter myBloomFilter = new MyBloomFilter();
    System.out.println("s1是否存在：" + myBloomFilter.contains(s1));
    myBloomFilter.add(s1);
    System.out.println("s1是否存在：" + myBloomFilter.contains(s1));
}

执行结果：

s1是否存在：false
s1是否存在：true

5.Guava工具实现布隆过滤器

guava是由谷歌公司提供的工具包，里面提供了布隆过滤器的实现。

Maven：

<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>30.1.1-jre</version>
</dependency>

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    // 初始化布隆过滤器，设计预计元素数量为100_0000L，误差率为1%
    BloomFilter<CharSequence> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(StandardCharsets.UTF_8), 100_0000, 0.01);
    int n = 100_0000;
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        bloomFilter.put(String.valueOf(i));
    }
    int count = 0;
    for (int i = 0; i < (n * 2); i++) {
        if (bloomFilter.mightContain(String.valueOf(i))) {
            count++;
        }
    }
    System.out.println("过滤器误判率：" + 1.0 * (count - n) / n);
}

执行结果：

过滤器误判率：0.010039

6.Redis实现布隆过滤器

Redis实现布隆过滤器的底层是通过bitmap位图数据结构。

Maven：

<dependency>
    <groupId>org.redisson</groupId>
    <artifactId>redisson</artifactId>
    <version>3.17.4</version>
</dependency>

测试代码：

public static void main(String[] args) {
    Config config = new Config();
    config.useSingleServer().setAddress("redis://127.0.0.1:6379");
    /// redis有密码时打开
//    config.useSingleServer().setPassword("123456");
    config.useSingleServer().setDatabase(0);
    RedissonClient client = Redisson.create(config);
    RBloomFilter<Object> bloomFilter = client.getBloomFilter("bloomnumber");
    // 初始化布隆过滤器，设计预计元素数量为100_0000L，误差率为1%
    int n = 1_0000;
    bloomFilter.tryInit(1_0000L, 0.01);
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        bloomFilter.add(String.valueOf(i));
    }
    int count = 0;
    for (int i = 0; i< (n * 2); i++) {
        if (bloomFilter.contains(String.valueOf(i))) {
            count++;
        }
    }
    System.out.println("过滤器误判率：" + 1.0 * (count - n) / n);
}

执行结果：

过滤器误判率：0.0211

（不知是不是配置问题，redisson的误判率比预设高了不少）

7.RedisTemplate模拟guava通过bitmap实现布隆过滤器

Maven：

<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>com.google.guava</groupId>
    <artifactId>guava</artifactId>
    <version>30.1.1-jre</version>
</dependency>

Redis配置：

@Configuration
public class RedisConfig {
    @Bean//定义第三方的Bean
    public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory factory){
        RedisTemplate<String, Object> template = new RedisTemplate<>();
        template.setConnectionFactory(factory);
        template.setKeySerializer(RedisSerializer.string());
        //设置value的序列化方式
        template.setValueSerializer(RedisSerializer.json());
        //设置hash的key的序列化方式
        template.setHashKeySerializer(RedisSerializer.string());
        //设置hash的value的序列化方式
        template.setHashValueSerializer(RedisSerializer.json());
        template.afterPropertiesSet();//使上面参数生效
        return template;
    }
}

自定义布隆过滤器内置计算相关方法：

public class CustomBloomFilterHelper<T> {

    private int numHashFunctions;
    
    private long bitSize;
    
    private Funnel<T> funnel;

    public CustomBloomFilterHelper(Funnel<T> funnel, int expectedInsertions, double fpp) {
        Preconditions.checkArgument(funnel != null, "funnel不能为空");
        this.funnel = funnel;
        bitSize = optimalNumOfBits(expectedInsertions, fpp);
        numHashFunctions = optimalNumOfHashFunctions(expectedInsertions, bitSize);
    }

    /**
     * 计算bit数组的长度
     * m = -n * lnp / Math.pow(ln2,2)
     * @param n 插入数据条数
     * @param p 误判率
     * @return
     */
    private long optimalNumOfBits(long n, double p) {
        if (p == 0.0D) {
            p = 4.9E-324D;
        }
        return (long)((double)(-n) * Math.log(p) / (Math.log(2.0D) * Math.log(2.0D)));
    }

    /**
     * 计算hash方法执行次数
     * k = m/n * ln2
     * @param n 插入数据条数
     * @param m 数据位数
     * @return
     */
    private int optimalNumOfHashFunctions(long n, long m) {
        return Math.max(1, (int)Math.round((double)m / (double)n * Math.log(2.0D)));
    }

    /**
     * 计算经过多个函数处理之后数据的偏移数组
     * @param value
     * @return
     */
    public List<Long> murmurHashOffset(T value) {
        List<Long> offset = new ArrayList<>();
        byte[] bytes = Hashing.murmur3_128().hashObject(value, funnel).asBytes();
        long hash1 = lowerEight(bytes);
        long hash2 = upperEight(bytes);
        long combinedHash = hash1;
        for (int i = 0; i < numHashFunctions; i++) {
            long hash = (combinedHash & 9223372036854775807L) % bitSize;
            offset.add(hash);
            combinedHash += hash2;
        }
        return offset;
    }

    private long lowerEight(byte[] bytes) {
        return Longs.fromBytes(bytes[7], bytes[6], bytes[5], bytes[4], bytes[3], bytes[2], bytes[1], bytes[0]);
    }

    private long upperEight(byte[] bytes) {
        return Longs.fromBytes(bytes[15], bytes[14], bytes[13], bytes[12], bytes[11], bytes[10], bytes[9], bytes[8]);
    }
}

Lua文件：

// 添加数据
for i=1, #ARGV
do
    redis.call('SETBIT',KEYS[1], ARGV[i], 1)
end

// 获取数据
local values = table.getn(ARGV)
for i=1, values
do
    local value =  redis.call('GETBIT', KEYS[1], ARGV[i]) 
    if value == 0
    then return 0
    end
end
return 1

布隆过滤器添加及判断存在方法：

@Component
public class RedisBloomFilter<T> {
    
    @Autowired
    private RedisTemplate<String, Object> redisTemplate;
    
    public <T> void put(CustomBloomFilterHelper<T> bloomFilter, String key, T value) {
        Preconditions.checkArgument(bloomFilter != null, "bloomFilter不能为空");
        List<Long> offset = bloomFilter.murmurHashOffset(value);
        if (CollectionUtils.isEmpty(offset)) {
            return;
        }
        DefaultRedisScript<Boolean> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
        redisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("bloomFilterPut.lua")));
        redisScript.setResultType(Boolean.class);
        List<String> keys = new ArrayList<>();
        keys.add(key);
        redisTemplate.execute(redisScript, keys, offset.toArray());
    }

    public <T> void batchPut(CustomBloomFilterHelper<T> bloomFilter, String key, List<T> values) {
        Preconditions.checkArgument(bloomFilter != null, "bloomFilter不能为空");
        // 数据整合批量提交
        List<Long> offset = new ArrayList<>();
        for (T value : values) {
            offset.addAll(bloomFilter.murmurHashOffset(value));
        }
        if (CollectionUtils.isEmpty(offset)) {
            return;
        }
        Set<Long> set = new HashSet<>(offset);
        DefaultRedisScript<Boolean> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
        redisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("bloomFilterPut.lua")));
        redisScript.setResultType(Boolean.class);
        List<String> keys = new ArrayList<>();
        keys.add(key);
        redisTemplate.execute(redisScript, keys, set.toArray());
    }
    
    public <T> boolean mightContain(CustomBloomFilterHelper<T> bloomFilter, String key, T value) {
        Preconditions.checkArgument(bloomFilter != null, "bloomFilter不能为空");
        List<Long> offset = bloomFilter.murmurHashOffset(value);
        if (CollectionUtils.isEmpty(offset)) {
            return false;
        }
        DefaultRedisScript<Long> redisScript = new DefaultRedisScript<>();
        redisScript.setScriptSource(new ResourceScriptSource(new ClassPathResource("bloomFilterMightContain.lua")));
        redisScript.setResultType(Long.class);
        List<String> keys = new ArrayList<>();
        keys.add(key);
        Long result = redisTemplate.execute(redisScript, keys, offset.toArray());
        if(result == 1){
            return true;
        }
        return false;
    }
}

测试代码：

@Component
public class BloomFilterApplication implements ApplicationRunner {
    
    private static CustomBloomFilterHelper<CharSequence> bloomFilterHelper;
    
    @Autowired
    RedisBloomFilter redisBloomFilter;
    
    // @PostConstruct启动的时候执行
    @PostConstruct
    public void init() {
        bloomFilterHelper = new CustomBloomFilterHelper<>(Funnels.stringFunnel(Charset.defaultCharset()), 1000000, 0.01);
    }
    
    
    @Override
    public void run(ApplicationArguments args) throws Exception {
        int j = 0;
        List<String> data = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000000; i++) {
            data.add(i+"");
        }
        List<List<String>> lists = Lists.partition(data, 1000);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (List<String> list : lists) {
            redisBloomFilter.batchPut(bloomFilterHelper, "bloom", list);
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 2000000; i++) {
            boolean result = redisBloomFilter.mightContain(bloomFilterHelper, "bloom", i+"");
            if (result) {
                j++;
            }
        }
        end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("误判率：" + ((j - 1000000) /1000000.0));
    }
}

执行结果：

误判率：0.010328

整理完毕，完结撒花~文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-430028.html

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