【算法】BloomFilter概念和原理以及业务中的应用场景

思考：海量数据下去重，如果是非数值类型的话如何判断？

1.什么是布隆过滤器

• 1970年由布隆提出的一种空间效率很高的概率型数据结构，它可以用于检索一个元素是否在一个集合中。

• 由只存0或1的位数组和多个hash算法, 进行判断数据 【一定不存在或者可能存在的算法】。

• 如果这些bit数组 有任何一个0，则被判定的元素一定不在; 如果都是1则被检元素很可能在。

• 对比bitmap位图，布隆过滤器适合更多类型元素，通过hash值转换。

• 原理

  • 将元素添加到一个bitmap数组中，每个散列函数将元素映射到bitmap数组中的一个位置

  • 如果该位置已经被占用，则将该位置置为1，否则置为0

  • 当要查询一个元素是否存在时，只需要计算该元素的散列值，并检查bitmap数组中对应的位置是否已经被置为1

  • 如果都是1，则该元素可能存在，否则肯定不存在。

  • 优点

    • 占用空间小，查询速度快，空间效率和查询时间都远远超过一般的算法

  • 缺点

    • 有一定的误识别率，有一定的误识别率，即某个元素可能存在，但实际上并不存在。
    • 删除困难，因为无法确定某个位置是由哪个元素映射而来的

• 案例测试地址：https://www.jasondavies.com/bloomfilter/

• 记住结论：不存在的一定不存在，存在的不一定存在

• 注意点

  • 布隆过滤器存在误判率，数组越小，所占的空间越小，误判率越高；如果要降低误判率，则数组越长，但所占空间越大

  • 最大限度的避免误差, 选取的位数组应尽量大, hash函数的个数尽量多, 但空间占用的浪费和性能的下降

  • 业务选择的时候， 需要误判率与bit数组长度和hash函数数量的平衡

  • 布隆过滤器不能直接删除元素，因为所属的bit可能多个元素有使用

  • 如果要删除则需要重新生成布隆过滤器，或者把布隆过滤器改造成带引用计数的方式

• 如何解决布隆过滤器不支持删除的问题

  • Counting Bloom Filter将标准 Bloom Filter位数组的每一位扩展为一个小的计数器（counter），在插入元素时给对应的k（k为哈希函数个数）个Counter的值分别加1，删除元素时给对应的k个Counter的值分别减1。Counting Bloom Filter通过多占用几倍的存储空间的代价，给Bloom Filter增加了删除操作。

2.BloomFilter业务中的应用场景

（1）海量数据下垃圾邮件解决方案（垃圾短信、黑名单同理）

• 收集一组具有特定特征的垃圾邮件样本，这些样本可以是文本内容或其他特征，比如发件人、收件人等
• 将这些样本的特征信息进行哈希处理，并将处理后的结果存储在布隆过滤器中。
• 接下来，当有新的电子邮件到达时，将该邮件的特征信息也进行哈希处理，并且与布隆过滤器中的信息进行比较
• 如果布隆过滤器中存在该邮件的特征信息，则判断该邮件为垃圾邮件；如果不存在，则判断该邮件为正常邮件

（2）解决缓存穿透解决方案

• 什么是缓存穿透（查询不存在数据）
  • 查询一个不存在的数据，由于缓存是不命中的，如发起为id为“-1”不存在的数据
  • 如果从存储层查不到数据则不写入缓存，导致这个不存在的数据每次请求都要到存储层去查询，
  • 大量查询不存在的数据，可能DB就挂掉了，是黑客利用不存在的key频繁攻击应用的一种方式
• 将所有要【缓存的数据】经过处理后存储布隆过滤器中，即对应的bit上是1
• 当外部请求发起时，首先会把请求的参数 通过哈希算法处理，获得相应的哈希值；
• 根据哈希值计算出位数组中的位置，如果全部计算的hash值对于的bit存储都是1
• 则表示数据在合理中，从缓存读出（缓存失效则从数据库中取出）
• 如果计算的hash值对于的bit存储存在一个是0或以上，则表示这条数据不合理，直接返回数据不存在，不查缓存和数据库
• 如果布隆过滤器认为值不存在，那么值一定是不存在的，无需查询缓存也无需查询数据库

（3）爬虫URL去重和分库分表注册手机号唯一性解决方案

大量的网页爬取，通过解析已经爬取页面中的网页链接，然后再爬取这些链接对应的网页
同一个网页链接有可能被包含在多个页面中，会导致爬虫在爬取的过程中，重复爬取相同的网页

• 创建布隆过滤器，根据业务数据量设置位数组的大小，将位数组全部设置为0；
• 将每个URL地址通过哈希算法处理，获得相应的哈希值；
• 根据哈希值计算出位数组中的位置，将位数组中的位置设置为1；
• 当新的URL地址进入时，重复上述步骤计算出对应的位置
• 检查位数组中的位置是否为0，如果是0，则表示该URL地址一定没被爬取过；
• 如果URL地址不存在，经过爬虫处理后，则将其对应的位置设置为1，以表示该URL地址已经存在；
• 重复上述步骤，直到所有的URL地址都处理完毕，完成去重。
• 具体的SpringBoot整合案例请看我的另外一篇文章：【案例实战】爬虫URL去重实战-SpringBoot2.x+Guava布隆过滤器

（4）海量数据下-分库分表下手机号重复注册解决方案

• 一般业务里面的partitionKey是不可变动的，所以不能用手机号作为分片键（换手机号需求是存在的）
• 所以业务里面的分片键，多数是固定的业务id，比如user_id

• 创建布隆过滤器，根据业务数据量设置位数组的大小，将位数组全部设置为0；

• 把要注册的手机号通过通过哈希算法处理，获得相应的哈希值；

• 根据哈希值计算出位数组中的位置，如果对应的位数组中的位置有存在0，则一定是未注册的

• 如果经过多个hash函数处理，对应的位数组中都是1，则认为是注册过的

• 最后如果用户注册成功后，将位数组中的位置设置为1

• 根据哈希值计算出位数组中的位置，如果对应的位数组中的位置有存在0，则一定是未注册的

• 如果经过多个hash函数处理，对应的位数组中都是1，则认为是注册过的

• 最后如果用户注册成功后，将位数组中的位置设置为1