BloomFilter——大规模数据处理利器

Bloom Filter是由Bloom在1970年提出的一种多哈希函数映射的快速查找算法。通常应用在一些需要快速判断某个元素是否属于集合，但是并不严格要求100%正确的场合。

一. 实例

为了说明Bloom Filter存在的重要意义，举一个实例：

假设要你写一个网络蜘蛛（web crawler）。由于网络间的链接错综复杂，蜘蛛在网络间爬行很可能会形成“环”。为了避免形成“环”，就需要知道蜘蛛已经访问过那些URL。给一个URL，怎样知道蜘蛛是否已经访问过呢？稍微想想，就会有如下几种方案：

1. 将访问过的URL保存到数据库。

　2. 用HashSet将访问过的URL保存起来。那只需接近O(1)的代价就可以查到一个URL是否被访问过了。

3. URL经过MD5或SHA-1等单向哈希后再保存到HashSet或数据库。

　4. Bit-Map方法。建立一个BitSet，将每个URL经过一个哈希函数映射到某一位。

方法1~3都是将访问过的URL完整保存，方法4则只标记URL的一个映射位。

以上方法在数据量较小的情况下都能完美解决问题，但是当数据量变得非常庞大时问题就来了。

方法1的缺点：数据量变得非常庞大后关系型数据库查询的效率会变得很低。而且每来一个URL就启动一次数据库查询是不是太小题大做了？

方法2的缺点：太消耗内存。随着URL的增多，占用的内存会越来越多。就算只有1亿个URL，每个URL只算50个字符，就需要5GB内存。

方法3：由于字符串经过MD5处理后的信息摘要长度只有128Bit，SHA-1处理后也只有160Bit，因此方法3比方法2节省了好几倍的内存。

方法4消耗内存是相对较少的，但缺点是单一哈希函数发生冲突的概率太高。还记得数据结构课上学过的Hash表冲突的各种解决方法么？若要降低冲突发生的概率到1%，就要将BitSet的长度设置为URL个数的100倍。

　　实质上上面的算法都忽略了一个重要的隐含条件：允许小概率的出错，不一定要100%准确！也就是说少量url实际上没有没网络蜘蛛访问，而将它们错判为已访问的代价是很小的——大不了少抓几个网页呗。 

二. Bloom Filter的算法

废话说到这里，下面引入本篇的主角——Bloom Filter。其实上面方法4的思想已经很接近Bloom Filter了。方法四的致命缺点是冲突概率高，为了降低冲突的概念，Bloom Filter使用了多个哈希函数，而不是一个。

   　Bloom Filter算法如下：

  　 创建一个m位BitSet，先将所有位初始化为0，然后选择k个不同的哈希函数。第i个哈希函数对字符串str哈希的结果记为h（i，str），且h（i，str）的范围是0到m-1 。

(1) 加入字符串过程

下面是每个字符串处理的过程，首先是将字符串str“记录”到BitSet中的过程：

对于字符串str，分别计算h（1，str），h（2，str）…… h（k，str）。然后将BitSet的第h（1，str）、h（2，str）…… h（k，str）位设为1。

 

 

图1.Bloom Filter加入字符串过程

很简单吧？这样就将字符串str映射到BitSet中的k个二进制位了。

(2) 检查字符串是否存在的过程

下面是检查字符串str是否被BitSet记录过的过程：

　对于字符串str，分别计算h（1，str），h（2，str）…… h（k，str）。然后检查BitSet的第h（1，str）、h（2，str）…… h（k，str）位是否为1，若其中任何一位不为1则可以判定str一定没有被记录过。若全部位都是1，则“认为”字符串str存在。

　若一个字符串对应的Bit不全为1，则可以肯定该字符串一定没有被Bloom Filter记录过。（这是显然的，因为字符串被记录过，其对应的二进制位肯定全部被设为1了）

但是若一个字符串对应的Bit全为1，实际上是不能100%的肯定该字符串被Bloom Filter记录过的。（因为有可能该字符串的所有位都刚好是被其他字符串所对应）这种将该字符串划分错的情况，称为false positive 。

(3) 删除字符串过程

   字符串加入了就被不能删除了，因为删除会影响到其他字符串。实在需要删除字符串的可以使用Counting bloomfilter(CBF)，这是一种基本Bloom Filter的变体，CBF将基本Bloom Filter每一个Bit改为一个计数器，这样就可以实现删除字符串的功能了。

　　Bloom Filter跟单哈希函数Bit-Map不同之处在于：Bloom Filter使用了k个哈希函数，每个字符串跟k个bit对应。从而降低了冲突的概率。

三. Bloom Filter参数选择

   (1)哈希函数选择

   哈希函数的选择对性能的影响应该是很大的，一个好的哈希函数要能近似等概率的将字符串映射到各个Bit。选择k个不同的哈希函数比较麻烦，一种简单的方法是选择一个哈希函数，然后送入k个不同的参数。

   (2)Bit数组大小选择

   哈希函数个数k、位数组大小m、加入的字符串数量n的关系可以参考。该文献证明了对于给定的m、n，当 k = ln(2)* m/n 时出错的概率是最小的。

   　同时该文献还给出特定的k，m，n的出错概率。例如：根据参考文献1，哈希函数个数k取10，位数组大小m设为字符串个数n的20倍时，false positive发生的概率是0.0000889 ，这个概率基本能满足网络爬虫的需求了。  

四. Bloom Filter实现代码

   下面给出一个简单的Bloom Filter的Java实现代码：

import java.util.BitSet;

publicclass BloomFilter 

{

/* BitSet初始分配2^24个bit */ 

privatestaticfinalint DEFAULT_SIZE =1<<25; 

/* 不同哈希函数的种子，一般应取质数 */

privatestaticfinalint[] seeds =newint[] { 5, 7, 11, 13, 31, 37, 61 };

private BitSet bits =new BitSet(DEFAULT_SIZE);

/* 哈希函数对象 */ 

private SimpleHash[] func =new SimpleHash[seeds.length];

public BloomFilter() 

{

for (int i =0; i < seeds.length; i++)

{

func[i] =new SimpleHash(DEFAULT_SIZE, seeds[i]);

}

}

// 将字符串标记到bits中

publicvoid add(String value) 

{

for (SimpleHash f : func) 

{

bits.set(f.hash(value), true);

}

}

//判断字符串是否已经被bits标记

publicboolean contains(String value) 

{

if (value ==null) 

{

returnfalse;

}

boolean ret =true;

for (SimpleHash f : func) 

{

ret = ret && bits.get(f.hash(value));

}

return ret;

}

/* 哈希函数类 */

publicstaticclass SimpleHash 

{

privateint cap;

privateint seed;

public SimpleHash(int cap, int seed) 

{

this.cap = cap;

this.seed = seed;

}

//hash函数，采用简单的加权和hash

publicint hash(String value) 

{

int result =0;

int len = value.length();

for (int i =0; i < len; i++) 

{

result = seed * result + value.charAt(i);

}

return (cap -1) & result;

}

}

}

参考文献：

[1]Pei Cao. Bloom Filters - the math.

http://pages.cs.wisc.edu/~cao/papers/summary-cache/node8.html

[2]Wikipedia. Bloom filter.