SpringBoot2.x—使用Redis的bitmap實(shí)現(xiàn)布隆過(guò)濾器(Guava中BF算法)

1. 布隆過(guò)濾器

1.1 布隆過(guò)濾器設(shè)計(jì)思想

布隆過(guò)濾器(Bloom Filter绅喉,下文簡(jiǎn)稱BF)是專門用來(lái)檢測(cè)集合中是否存在特定元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)劝枣。它是由長(zhǎng)度為m比特的位數(shù)組k個(gè)哈希函數(shù)組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)誉裆。位數(shù)組均初始化為0勘天,哈希函數(shù)可以將輸入數(shù)據(jù)盡量的均勻散列饰及。

  • 當(dāng)插入一個(gè)元素時(shí)龙助,將元素?cái)?shù)據(jù)分別輸入到k個(gè)哈希函數(shù)砰奕,產(chǎn)生k個(gè)哈希值。以k個(gè)哈希值作為位數(shù)組的下標(biāo)提鸟,將其值置為1.
  • 當(dāng)查詢一個(gè)元素是否存在军援,將元素映射為k個(gè)哈希值,判斷數(shù)組中各個(gè)哈希值對(duì)應(yīng)值是否為1称勋,若均為1胸哥,那么表示該元素很可能在集合中。

存在假陽(yáng)性(將不在集合中的元素誤判為在集合中)铣缠,不存在假陰性(將在集合中的元素誤判為不在集合中)

為什么不是一定在集合中烘嘱?
因?yàn)橐粋€(gè)比特位被置為1有可能會(huì)受到其他元素的影響昆禽,產(chǎn)生“誤差率”的情況。

1.2 布隆過(guò)濾器優(yōu)缺點(diǎn)

布隆過(guò)濾器優(yōu)點(diǎn):

  1. 不需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)本身蝇庭,只使用比特表示醉鳖,因此空間占用少;
  2. 時(shí)間效率高哮内,插入和查詢的時(shí)間復(fù)雜度為O(k)盗棵。k為哈希值;
  3. 哈希函數(shù)之間可以相互獨(dú)立北发,可以在硬件指令層次并行計(jì)算纹因;

布隆過(guò)濾器缺點(diǎn):

  1. 存在誤差率,不適合任何要求100%準(zhǔn)確性的場(chǎng)景琳拨;
  2. 只能插入和查詢?cè)夭t恰,不能刪除元素。

所以布隆過(guò)濾器適合查詢準(zhǔn)確度要求沒那么苛刻狱庇,但是對(duì)時(shí)間惊畏、空間效率要求比較高的場(chǎng)景。

2. 布隆過(guò)濾器的實(shí)現(xiàn)

2.1 Guava中的實(shí)現(xiàn)

引入依賴

<dependency>
   <groupId>com.google.guava</groupId>
   <artifactId>guava</artifactId>
   <version>27.0.1-jre</version>
</dependency>

使用方式

public class TestRedisBloomFilter {
    public static void main(String[] args) {
        //創(chuàng)建布隆過(guò)濾器
        BloomFilter bloomFilter = BloomFilter.create(
                //Funnel接口實(shí)現(xiàn)類的實(shí)例密任,它用于將任意類型T的輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為Java基本類型的數(shù)據(jù)(byte颜启、int、char等等)浪讳。這里是會(huì)轉(zhuǎn)化為byte缰盏。
                Funnels.stringFunnel(Charset.forName("utf-8")),
                //期望插入元素總個(gè)數(shù)n
                1000,
                //誤差率p
                0.01);
        //填充數(shù)據(jù)
        bloomFilter.put("112");
        bloomFilter.put("113");
        bloomFilter.put("114");
        //判斷元素是否存在
        System.out.println(bloomFilter.mightContain("114"));
        System.out.println(bloomFilter.mightContain("111"));
    }
}

源碼分析

  1. 生成布隆過(guò)濾器
  //默認(rèn)使用的策略BloomFilterStrategies.MURMUR128_MITZ_64
  @VisibleForTesting
  static <T> BloomFilter<T> create(
      Funnel<? super T> funnel, long expectedInsertions, double fpp, Strategy strategy) {
    //對(duì)參數(shù)的校驗(yàn)
    checkNotNull(funnel);
    checkArgument(
        expectedInsertions >= 0, "Expected insertions (%s) must be >= 0", expectedInsertions);
    checkArgument(fpp > 0.0, "False positive probability (%s) must be > 0.0", fpp);
    checkArgument(fpp < 1.0, "False positive probability (%s) must be < 1.0", fpp);
    checkNotNull(strategy);

    if (expectedInsertions == 0) {
      expectedInsertions = 1;
    }
    //獲取到位數(shù)組的長(zhǎng)度m(由期望插入元素個(gè)數(shù)&誤差率確定)
    long numBits = optimalNumOfBits(expectedInsertions, fpp);
    //獲取到哈希函數(shù)的個(gè)數(shù)k(由期望插入元素的個(gè)數(shù)&位數(shù)組長(zhǎng)度m確定)
    int numHashFunctions = optimalNumOfHashFunctions(expectedInsertions, numBits);
    try {
      return new BloomFilter<T>(new LockFreeBitArray(numBits), numHashFunctions, funnel, strategy);
    } catch (IllegalArgumentException e) {
      throw new IllegalArgumentException("Could not create BloomFilter of " + numBits + " bits", e);
    }
  }
  1. 獲取到位數(shù)組長(zhǎng)度m的源碼
  @VisibleForTesting
  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)));
  }
  1. 獲取到哈希函數(shù)的個(gè)數(shù)
  @VisibleForTesting
  static int optimalNumOfHashFunctions(long n, long m) {
    // (m / n) * log(2), but avoid truncation due to division!
    return Math.max(1, (int) Math.round((double) m / n * Math.log(2)));
  }
  1. BloomFilterStrategies.MURMUR128_MITZ_64策略進(jìn)行處理
  MURMUR128_MITZ_64() {
    @Override
    public <T> boolean put(
        T object, Funnel<? super T> funnel, int numHashFunctions, LockFreeBitArray bits) {
      long bitSize = bits.bitSize();
      byte[] bytes = Hashing.murmur3_128().hashObject(object, funnel).getBytesInternal();
      long hash1 = lowerEight(bytes);
      long hash2 = upperEight(bytes);

      boolean bitsChanged = false;
      long combinedHash = hash1;
      for (int i = 0; i < numHashFunctions; i++) {
        // Make the combined hash positive and indexable
        bitsChanged |= bits.set((combinedHash & Long.MAX_VALUE) % bitSize);
        combinedHash += hash2;
      }
      return bitsChanged;
    }

    @Override
    public <T> boolean mightContain(
        T object, Funnel<? super T> funnel, int numHashFunctions, LockFreeBitArray bits) {
      //位數(shù)組的長(zhǎng)度m
      long bitSize = bits.bitSize();
      //元素轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組
      byte[] bytes = Hashing.murmur3_128().hashObject(object, funnel).getBytesInternal();
      long hash1 = lowerEight(bytes);
      long hash2 = upperEight(bytes);

      long combinedHash = hash1;
      for (int i = 0; i < numHashFunctions; i++) {
        // combinedHash & Long.MAX_VALUE) % bitSize來(lái)生成哈希值
        if (!bits.get((combinedHash & Long.MAX_VALUE) % bitSize)) {
          return false;
        }
        combinedHash += hash2;
      }
      return true;
    }

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

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

2.2 Redis的bitmap實(shí)現(xiàn)

參考Guava算法,為元素生成k個(gè)哈希值淹遵。存儲(chǔ)到Redis的bitmap結(jié)構(gòu)中口猜。

使用Pipelined管道批量的操作Redis的命令

import com.google.common.hash.Funnels;
import com.google.common.hash.Hashing;
import com.google.common.primitives.Longs;
import com.tellme.utils.SpringUtil;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.springframework.dao.DataAccessException;
import org.springframework.data.redis.connection.RedisConnection;
import org.springframework.data.redis.core.RedisCallback;
import org.springframework.data.redis.core.StringRedisTemplate;
import java.nio.charset.Charset;
import java.util.Calendar;
import java.util.Date;
import java.util.List;

/**
 * 工具類:布隆過(guò)濾器
 */
@Slf4j
public class RedisBloomFilter {

    /**
     * 獲取到Spring容器的stringRedisTemplate
     */
    private StringRedisTemplate stringRedisTemplate= SpringUtil.getBean(StringRedisTemplate.class);

    /**
     * 保存到Redis的key的前綴
     */
    private static final String BF_KEY_PREFIX = "bf:";

    /**
     * 預(yù)計(jì)元素的數(shù)量n
     */
    private int numApproxElements;
    /**
     * 誤差率p
     */
    private double fpp;
    /**
     * 哈希函數(shù)的個(gè)數(shù)k
     */
    private int numHashFunctions;
    /**
     * 位數(shù)組的長(zhǎng)度m
     */
    private int bitmapLength;


    /**
     * 構(gòu)造布隆過(guò)濾器。注意:在同一業(yè)務(wù)場(chǎng)景下透揣,三個(gè)參數(shù)務(wù)必相同
     *
     * @param numApproxElements 預(yù)估元素?cái)?shù)量
     * @param fpp               可接受的最大誤差(假陽(yáng)性率)
     */
    public RedisBloomFilter(int numApproxElements, double fpp) {
        //獲取預(yù)估數(shù)量n
        this.numApproxElements = numApproxElements;
        //獲取誤差率p
        this.fpp = fpp;
        //獲取到位數(shù)組長(zhǎng)度m
        bitmapLength = (int) (-numApproxElements * Math.log(fpp) / (Math.log(2) * Math.log(2)));
        //獲取哈希函數(shù)個(gè)數(shù)k
        numHashFunctions = Math.max(1, (int) Math.round((double) bitmapLength / numApproxElements * Math.log(2)));
    }

    /**
     * 取得自動(dòng)計(jì)算的最優(yōu)哈希函數(shù)個(gè)數(shù)
     */
    public int getNumHashFunctions() {
        return numHashFunctions;
    }

    /**
     * 取得自動(dòng)計(jì)算的最優(yōu)Bitmap長(zhǎng)度
     */
    public int getBitmapLength() {
        return bitmapLength;
    }

    public int getNumApproxElements() {
        return numApproxElements;
    }

    public double getFpp() {
        return fpp;
    }

    /**
     * 計(jì)算一個(gè)元素值哈希后映射到Bitmap的哪些bit上暮的。
     *
     * @param element 元素值
     * @return bit下標(biāo)的數(shù)組
     */
    private long[] getBitIndices(String element) {
        long[] indices = new long[numHashFunctions];

        byte[] bytes = Hashing.murmur3_128()
                .hashObject(element, Funnels.stringFunnel(Charset.forName("UTF-8")))
                .asBytes();

        long lowerHash = Longs.fromBytes(
                bytes[7], bytes[6], bytes[5], bytes[4], bytes[3], bytes[2], bytes[1], bytes[0]
        );
        long upperHash = Longs.fromBytes(
                bytes[15], bytes[14], bytes[13], bytes[12], bytes[11], bytes[10], bytes[9], bytes[8]
        );

        long combinedHash = lowerHash;
        for (int i = 0; i < numHashFunctions; i++) {
            indices[i] = (combinedHash & Long.MAX_VALUE) % bitmapLength;
            combinedHash += upperHash;
        }

        return indices;
    }


    /**
     * 插入元素
     *
     * @param key       原始Redis鍵,會(huì)自動(dòng)加上'bf:'前綴
     * @param element   元素值淌实,字符串類型
     * @param expireDate 失效時(shí)間,在expireDate時(shí)間失效
     */
    public void insert(String key, String element, Date expireDate) {
        if (key == null || element == null) {
            throw new RuntimeException("鍵值均不能為空");
        }
        String actualKey = BF_KEY_PREFIX.concat(key);
        long[] bitIndices = getBitIndices(element);
        stringRedisTemplate.executePipelined(new RedisCallback() {
            @Override
            public Object doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
                for (int i = 0; i < bitIndices.length; i++) {
                    long index = bitIndices[i];
                    connection.setBit(actualKey.getBytes(), index, true);
                }
                return null;
            }
        });
        //設(shè)置失效時(shí)間
        stringRedisTemplate.expireAt(actualKey,expireDate);
    }
    /**
     * 獲取當(dāng)天23點(diǎn)59分59秒毫秒數(shù)
     *
     * @return
     */
    public static Date getTwelveTime() {
        Calendar calendar = Calendar.getInstance();
        calendar.set(calendar.get(Calendar.YEAR),
                calendar.get(Calendar.MONTH),
                calendar.get(Calendar.DAY_OF_MONTH),
                23,
                59,
                59);
        return calendar.getTime();
    }

    /**
     * 檢查元素在集合中是否(可能)存在
     *
     * @param key     原始Redis鍵猖腕,會(huì)自動(dòng)加上'bf:'前綴
     * @param element 元素值拆祈,字符串類型
     */
    public boolean mayExist(String key, String element) {
        if (key == null || element == null) {
            throw new RuntimeException("鍵值均不能為空");
        }
        String actualKey = BF_KEY_PREFIX.concat(key);
        long[] bitIndices = getBitIndices(element);
        List list = stringRedisTemplate.executePipelined(new RedisCallback<Boolean>() {
            @Override
            public Boolean doInRedis(RedisConnection connection) throws DataAccessException {
                for (int i = 0; i < bitIndices.length; i++) {
                    long index = bitIndices[i];
                    connection.getBit(actualKey.getBytes(), index);
                }
                return null;
            }
        });
        return !list.contains(Boolean.valueOf(false));
    }
}

測(cè)試方法:

@RestController
public class TestRedisBloomFilter {
    @RequestMapping("/bloom")
    public void insertUserT() {
        //大概3百萬(wàn)數(shù)據(jù),誤差率在10%作用倘感。
        RedisBloomFilter redisBloomFilter = new RedisBloomFilter(3000000, 0.1);
        redisBloomFilter.insert("topic_read:20200812", "76930242", RedisBloomFilter.getTwelveTime());
        redisBloomFilter.insert("topic_read:20200812", "76930243", RedisBloomFilter.getTwelveTime());
        redisBloomFilter.insert("topic_read:20200812", "76930244", RedisBloomFilter.getTwelveTime());
        redisBloomFilter.insert("topic_read:20200812", "76930245", RedisBloomFilter.getTwelveTime());
        redisBloomFilter.insert("topic_read:20200812", "76930246", RedisBloomFilter.getTwelveTime());

        System.out.println(redisBloomFilter.mayExist("topic_read:20200812", "76930242"));
        System.out.println(redisBloomFilter.mayExist("topic_read:20200812", "76930244"));
        System.out.println(redisBloomFilter.mayExist("topic_read:20200812", "76930246"));
        System.out.println(redisBloomFilter.mayExist("topic_read:20200812", "76930248"));
    }
}
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