布隆过滤器(Bloom Filter)
是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随机映射函数。布隆过滤器可以用于检索一个元素是否在一个集合中。
它的优点是空间效率和查询时间都比一般的算法要好的多,缺点是有一定的误识别率和删除困难。
本质上布隆过滤器是一种数据结构,比较巧妙的概率型数据结构(probabilistic data structure),特点是高效地插入和查询,可以用来告诉你
“某样东西一定不存在或者可能存在”,可能存在的前提下再去数据库进行准确查找,或者查找白名单。
实现原理
HashMap 的问题
讲述布隆过滤器的原理之前,我们先思考一下,通常你判断某个元素是否存在用的是什么?应该蛮多人回答 HashMap 吧,确实可以将值映射到 HashMap 的 Key,然后可以在 O(1) 的时间复杂度内返回结果,效率奇高。
但是 HashMap 的实现也有缺点,例如存储容量占比高,考虑到负载因子的存在,通常空间是不能被用满的,而一旦你的值很多例如上亿的时候,那 HashMap 占据的内存大小就变得很可观了。
还比如说你的数据集存储在远程服务器上,本地服务接受输入,而数据集非常大不可能一次性读进内存构建 HashMap 的时候,也会存在问题。
位数组
为了节省内存:用数组来存储数字,数字的商为数组下标,数字的余数为,
例如,存储32位的数,36这个数字,36/32商为1余数为4,数组array[0]存储一个32位的数(即a[0]就能表示32个数字,即4个字节就能表示32个32位的数,是不是很省内存),1<<4 二进制为10000,转为十进制就是16,所以array[0]=16;
假如下一个数还是array[0],那就逻辑或一下就能把对应的1加上去了!
//判断当前系统是32位还是64位(^uint(0)在32位系统上返回的是0XFFFFFFFF,在64位系统上返回的是0xFFFFFFFFFFFFFFFF)
const target int = 32 << (^uint(0) >> 63)
func (s *IntSet) Add(numbers ...int) {
for _, numebr := range numbers {
x := numebr
a, b := x/target, uint(x%target)
array[a] |= 1 << b
}
}
布隆过滤器数据结构
布隆过滤器是一个 bit 向量或者说 bit 数组,长这样:
image
如果我们要映射一个值到布隆过滤器中,我们需要使用多个不同的哈希函数生成多个哈希值,并对每个生成的哈希值指向的 bit 位置 1,例如针对值 “baidu” 和三个不同的哈希函数分别生成了哈希值 1、4、7,则上图转变为:
image
Ok,我们现在再存一个值 “tencent”,如果哈希函数返回 3、4、8 的话,图继续变为:
image
值得注意的是,4 这个 bit 位由于两个值的哈希函数都返回了这个 bit 位,因此它被覆盖了。现在我们如果想查询 “dianping” 这个值是否存在,哈希函数返回了 1、5、8三个值,
结果我们发现 5 这个 bit 位上的值为 0,说明没有任何一个值映射到这个 bit 位上,因此我们可以很确定地说 “dianping” 这个值不存在。而当我们需要查询 “baidu” 这个值是否存在的话,
那么哈希函数必然会返回 1、4、7,然后我们检查发现这三个 bit 位上的值均为 1,那么我们可以说 “baidu” 存在了么?答案是不可以,只能是 “baidu” 这个值可能存在。
这是为什么呢?答案跟简单,因为随着增加的值越来越多,被置为 1 的 bit 位也会越来越多,这样某个值 “taobao” 即使没有被存储过,但是万一哈希函数返回的三个 bit 位都被其他值置位了 1 ,那么程序还是会判断 “taobao” 这个值存在。
应用:
1.网页URL的去重
2.垃圾邮件的判别
3.集合重复元素的判别
4.查询加速(比如基于key-value的存储系统)