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【重讲拉勾】4 布隆过滤器

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【重讲拉勾】1 JVM内存结构 https://my.oschina.net/u/4033707/blog/4444869

【重讲拉勾】2 Java容器 https://my.oschina.net/u/4033707/blog/4478324

【重讲拉勾】3 Redis哨兵 https://my.oschina.net/u/4033707/blog/4478778

前言

大家好,我们又见面了。

简介

我们先看一段通常的介绍:

  • 概念

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。

如果想要判断一个元素是不是在一个集合里,一般想到的是将所有元素保存起来,然后通过比较确定。链表,树等等数据结构都是这种思路. 但是随着集合中元素的增加,我们需要的存储空间越来越大,检索速度也越来越慢(O(n),O(logn))。不过世界上还有一种叫作散列表(又叫哈希表,Hash table)的数据结构。它可以通过一个Hash函数将一个元素映射成一个位阵列(Bit array)中的一个点。这样一来,我们只要看看这个点是不是1就可以知道集合中有没有它了。这就是布隆过滤器的基本思想。

Hash面临的问题就是冲突。假设Hash函数是良好的,如果我们的位阵列长度为m个点,那么如果我们想将冲突率降低到例如 1%, 这个散列表就只能容纳m / 100个元素。显然这就不叫空间效率了(Space-efficient)了。解决方法也简单,就是使用多个Hash,如果它们有一个说元素不在集合中,那肯定就不在。如果它们都说在,虽然也有一定可能性它们在说谎,不过直觉上判断这种事情的概率是比较低的。

  • 优点

相比于其它的数据结构,布隆过滤器在空间和时间方面都有巨大的优势。布隆过滤器存储空间和插入/查询时间都是常数。另外, Hash函数相互之间没有关系,方便由硬件并行实现。布隆过滤器不需要存储元素本身,在某些对保密要求非常严格的场合有优势。 布隆过滤器可以表示全集,其它任何数据结构都不能。

  • 缺点

但是布隆过滤器的缺点和优点一样明显。误算率是其中之一。随着存入的元素数量增加,误算率随之增加。常见的补救办法是建立一个小的白名单,存储那些可能被误判的元素。但是如果元素数量太少,则使用散列表足矣。 另外,一般情况下不能从布隆过滤器中删除元素。我们很容易想到把位列阵变成整数数组,每插入一个元素相应的计数器加1, 这样删除元素时将计数器减掉就可以了。然而要保证安全的删除元素并非如此简单。首先我们必须保证删除的元素的确在布隆过滤器里面. 这一点单凭这个过滤器是无法保证的。另外计数器回绕也会造成问题。 在降低误算率方面,有不少工作,使得出现了很多布隆过滤器的变种。

  • 应用 网页URL的去重,垃圾邮件的判别,集合重复元素的判别,查询加速(比如基于key-value的存储系统)等。

类比

总结


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