Bloom Filter

场景

判断某一元素是否在某个集合内？

一般使用HashMap/Set,但是当集合非常庞大时，需要极大的空间，现实状况不允许。此时，可以考虑使用 Bloom Filter。

具体步骤：

• 申请足够的bit位，所有bit位置为0（如: int[]）
• 通过一定的Hash策略将集合元素映射到 int[] 的特定位上，并将对应 bit 置1
• 取待检测元素，进行相同的Hash，对应位上 bit 全为 1，return true, 否则 return false

定义

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。用于检索一个元素是否在一个集合中。

利弊

优点：提高效率，缩小内存的使用。
缺点：有误识别率（false positive）和删除困难。

示例

判断一个整数是否在100w个整数集合中。

public class HashJudge {


    /**
     * 4Bytes * 1 M = 4MB 
     * 底层使用HahsMap 实现 DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f;
     * 内存申请空间 = 4/0.75f
     */ 
    Set<Integer> numberSet = new HashSet<>(CommonConstant.SIZE_M);

    public HashJudge() {
        prepareSet();
    }

    /**
     * 初始化
     */
    public void prepareSet() {

        for (int i = 0; i < CommonConstant.SIZE_M; i++) {
            numberSet.add(i);
        }
    }

    /**
     * 验证测试
     */
    public void judgeTest() {

        // 准确无误
        int falseNegative = 0;
        int falsePositive = 0;
        for (int i = 0; i < CommonConstant.SIZE_M; i++) {
            if (!numberSet.contains(i)) {
                falseNegative++;
            }
        }


        long start = System.currentTimeMillis();
        int judgeNum = CommonConstant.SIZE_M * 10;
        for (int i = CommonConstant.SIZE_M; i < CommonConstant.SIZE_M + judgeNum; i++) {
            if (numberSet.contains(i)) {
                System.out.println("false positive");
            }

        }
        long interval = System.currentTimeMillis() - start;

        PrintUtil.prettyPrint("BloomJudge done! \n falseNegative:{}\n falsePositive:{} \n judgeNum:{} interval:{} ms ", falseNegative, falsePositive, judgeNum, interval);
    }
}

public class BloomJudge {

    /**
     * 使用 Guava 内的 BloomFilter：
     * numBits = (-n * Math.log(p) / (Math.log(2) * Math.log(2)));
     * numBits ≈  -2.08 * ln(p)
     * default fpp 0.03
     * numBits ≈  7.3 * n = 7.3M bits  ≈ 0.91MB
     */
    private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), CommonConstant.SIZE_M);

    public BloomJudge() {
        initFilter();
    }

    /**
     * 初始化
     */
    public void initFilter() {
        for (int i = 0; i < CommonConstant.SIZE_M; i++) {
            bloomFilter.put(i);
        }
    }

    /**
     * 验证
     */
    public void judge() {

        int falseNegative = 0;
        int falsePositive = 0;
        for (int i = 0; i < CommonConstant.SIZE_M; i++) {
            if (!bloomFilter.mightContain(i)) {
                falseNegative++;
            }
        }

        long start = System.currentTimeMillis();
        int judgeNum = CommonConstant.SIZE_M * 10;
        for (int i = CommonConstant.SIZE_M; i < CommonConstant.SIZE_M + judgeNum; i++) {
            if (bloomFilter.mightContain(i)) {
                falsePositive++;
            }
        }

        long interval = System.currentTimeMillis() - start;

        PrintUtil.prettyPrint("BloomJudge done! \n falseNegative:{}\n falsePositive:{} \n judgeNum:{} interval:{} ms ", falseNegative, falsePositive, judgeNum, interval);

    }
}

// 常量
public class CommonConstant {

    public static int SIZE_K = 1 << 10;
    public static int SIZE_M = 1 << 20;
    public static int SIZE_G = 1 << 30;
}

// 测试入口
public static void main(String[] args) {
        /**
         * hash 4MB
         */
        HashJudge hashJudge = new HashJudge();
        hashJudge.judgeTest();

        PrintUtil.blankRow();

        /**
         * < 1MB
         * with fpp = 0.03
         */
        BloomJudge bloomJudge = new BloomJudge();
        bloomJudge.judge();
    }
    

result:

BloomJudge done! 
 falseNegative:0
 falsePositive:0 
 judgeNum:10485760 interval:985 ms 


BloomJudge done! 
 falseNegative:0
 falsePositive:315312 
 judgeNum:10485760 interval:1563 ms 

总结：

使用HashSet

• 内存会线性增长，适合小数据量集合
• fnp=0 且 fpp=0
• 速度快

使用BloomFilter

• 内存使用会减小，适合大数据量集合
• fnp=0, fpp>0
• 速度略慢，但可以接受