布隆过滤器

1 布隆过滤器特点

  • 可节省内存
  • 一定存在失误率(宁可错杀一百,也不漏掉一个)

2 布隆过滤器原理

  • 使用bit数组,即位图

  • 当要映射一个值到布隆过滤器中,即bit数组中,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(即描黑)。

  • 等判断时,将输入对象经过这k个哈希函数计算得到k个值,然后判断对应bitarray的k个位置是否都为1(是否标黑),如果有一个不为黑,则这个输入对象则一定不在这个集合中;如果都是黑,那说明可能在集合中,但有可能会误,由于当输入对象过多,而集合也就是bita rray过小,则会出现大部分为黑的情况,那样就容易发生误判!因此使用布隆过滤器是需要容忍错误率的,即使很低很低!

bit array.png

3 重要参数计算

m:bit数组的大小 k:哈希函数的个数 p:失误率

计算结果为小数时,向上取整。另:ln 2 ≈ 0.7

  • p-m 关系( p 为系统初始规定的最大失误率)
    虽然m越大,p 越小,但如果m过大,对应的bit数组的内存开销也会增大,故m需有一个合适的取值。
p-m关系.png

m=-\frac{n \ln p}{(\ln 2)^{2}}

  • p-k 关系

k=1时,失误率为某值。
k趋向无限大时,每一个输入经k个哈希函数后,可能会全部覆盖 bit数组,即对于每一个输入,对应的bit数组都被置1“描黑”,也就相当于每一个输入都会被加入集合中,失误率会很大。
所以k会有一个最优解。

p-k关系.png

k = \frac { m } { n } \ln 2

  • 实际 p

    由于 m,k 在计算时已向上取整,故实际 p 值偏小
    p=\left(1-e^{-\frac{n k}{m}}\right)^{k}

  • 哈希函数取法

    已知两独立的哈希函数 F_1F_2,对于输入 val
    F_1(val) = a, F_2(val) = b

    F_i(val) = a + i * b

    其中 i ∈ [1,k],且 F_i 相互独立

4 应用

  • 网站大量本黑名单

  • 指纹识别(多个特征点对应多个hash函数)

  • Hadoop分布式文件定位

    分布式集群中的多个文件各有一个布隆过滤器,当要查询某条数据在哪个文件中时,根据数据的Key,查询每个文件的布隆过滤器,得出数据可能存在的文件,再对这些少量的可能文件遍历,查找指定的数据。

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