布隆过滤器

什么是布隆过滤器

布隆过滤器(Bloom Filter) 是一种以Bitmap为基础的排重算法。由Bitmap和一系列的Hash函数组成。是由Howard Bloom 在 1970 年提出的。

Bloom Filter算法

  • 初始状态
    初始状态下,Bloom Filter是一个m位的位数组,且数组被0所填充。定义k个不同的hash函数,每一个hash函数都随机的将每一个输入元素映射到位数组中的一个位上。

  • 插入元素
    输入元素经过k个hash函数的映射,得到k个索引,把位数组中这k个位置全部置1(不管其中的位之前是0还是1)

  • 查询元素
    输入元素经过k个hash函数的映射,得到k个索引,如果位数组中这k个索引任意一处是0,那么就说明这个元素不在集合之中;但如果这k个索引处的位都是1,被查询的元素就一定在集合之中吗?答案是不一定,也就是说出现了误报的情况

  • 例子


    例子

在上图中,当插入x、y、z这三个元素之后,再来查询w,会发现w不在集合之中,而如果w经过三个hash函数计算得出的结果所得索引处的位全是1,那么Bloom Filter就会告诉你,w在集合之中,实际上这里是误报,w并不在集合之中。

优缺点

  • 优点
    插入和查询时间都是常数
  • 缺点
    有一定的误报率和不能删除,因为多个元素哈希的结果可能在 Bloom filter 结构中占用的是同一个位,如果删除了一个比特位,可能会影响多个元素的检测。

误报率(False Positive Rate)

数学证明较复杂,详细可以参考
https://en.wikipedia.org/wiki/Bloom_filter

减少误报率:

  • 增加Bitmap的大小
  • 增加Hash函数,一般是8个
  • 加上白名单
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