BitSet和布隆过滤器(Bloom Filter)

布隆过滤器

Bloom Filter 是由Howard Bloom 在 1970 年提出的二进制向量数据结构，它具有很好的空间和时间效率，被用来检测一个元素是不是集合中的一个成员。如果检测结果为是，该元素不一定在集合中；但如果检测结果为否，该元素一定不在集合中。因此Bloom filter具有100%的召回率。这样每个检测请求返回有“在集合内（可能错误）”和“不在集合内（绝对不在集合内）”两种情况，可见 Bloom filter 是牺牲了正确率和时间以节省空间。

当然布隆过滤器也有缺点，主要是误判的问题，随着数据量的增加，误判率也随着增大，解决办法：可以建立一个列表，保存哪些数值是容易被误算的。

Bloom Filter最大的特点是不会存在false negative，即：如果contains()返回false，则该元素一定不在集合中，但会存在一定的true negative，即：如果contains()返回true，则该元素可能在集合中。

Bloom Filter在很多开源框架都有实现，例如：

Elasticsearch：org.elasticsearch.common.util.BloomFilter

guava：com.google.common.hash.BloomFilter

Hadoop：org.apache.hadoop.util.bloom.BloomFilter（基于BitSet实现）

有兴趣可以看看源码。

BitSet的基本原理

最后再了解一下BitSet的基本原理，BitSet是位操作的对象，值只有0或1，内部实现是一个long数组，初始只有一个long数组，所以BitSet最小的size是64，当存储的数据增加，初始化的Long数组已经无法满足时，BitSet内部会动态扩充，最终内部是由N个long来存储，BitSet的内部扩充和List，Set，Map等得实现差不多，而且都是对于用户透明的。
1G的空间，有 8*1024*1024*1024=8589934592bit，也就是可以表示85亿个不同的数。

BitSet用1位来表示一个数据是否出现过，0为没有出现过，1表示出现过。在long型数组中的一个元素可以存放64个数组，因为Java的long占8个byte=64bit，具体的实现，看看源码：

首先看看set方法的实现：

public void set(int bitIndex) {
   if (bitIndex < 0)   //set的数不能小于0
        throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex);

   int wordIndex = wordIndex(bitIndex);//将bitIndex右移6位，这样可以保证每64个数字在long型数组中可以占一个坑。
   expandTo(wordIndex);

   words[wordIndex] |= (1L << bitIndex); // Restores invariants
   checkInvariants();
}

get命令实现：

public boolean get(int bitIndex) {
   if (bitIndex < 0)
       throw new IndexOutOfBoundsException("bitIndex < 0: " + bitIndex);

   checkInvariants();

   int wordIndex = wordIndex(bitIndex);//和get一样获取数字在long型数组的那个位置。
   return (wordIndex < wordsInUse)
        && ((words[wordIndex] & (1L << bitIndex)) != 0);//在指定long型数组元素中获取值。
}

BitSet容量动态扩展：

private void ensureCapacity(int wordsRequired) {
 if (words.length < wordsRequired) {
  // Allocate larger of doubled size or required size
 int request = Math.max(2 * words.length, wordsRequired);//默认是扩大一杯的容量，如果传入的数字大于两倍的，则以传入的为准。
        // wordsRequired = 传入的数值右移6位 + 1
 words = Arrays.copyOf(words, request);
  sizeIsSticky = false;
 }
}

BitSet中实现了Cloneable接口，并定义在表中列出的方法：

SN	Methods with 描述
1	void and(BitSet bitSet) 与运算调用的内容BitSet中对象与那些指定bitSet。结果存放到调用对象。
2	void andNot(BitSet bitSet) 对于bitSet每1位，在调用BitSet中的相应位清零。
3	int cardinality( ) 返回BitSet的容量。
4	void clear( ) 所有位清零。
5	void clear(int index) index指定的位清零。
6	void clear(int startIndex, int endIndex) 将从startIndex到endIndex清零。
7	Object clone( ) 重复调用BitSet中对象。
8	boolean equals(Object bitSet) 返回true如果调用位设置相当于一个在bitSet通过。否则，该方法返回false。
9	void flip(int index) 逆转由index指定的位。
10	void flip(int startIndex, int endIndex) 反转将从startIndex位到endIndex.
11	boolean get(int index) 返回指定索引处的位的当前状态。
12	BitSet get(int startIndex, int endIndex) 返回一个BitSet中，它包含的比特将从startIndex到endIndex.1。调用对象不被改变。
13	int hashCode( ) 返回调用对象的哈希代码。
14	boolean intersects(BitSet bitSet) 如果至少有一个对调用对象和bitSet内相应位为1，则返回true。
15	boolean isEmpty( ) 返回true如果在调用对象中的所有位均为零。
16	int length( ) 返回到持有调用BitSet中的内容所需的比特数。这个值是由最后1位的位置决定的。
17	int nextClearBit(int startIndex) 返回下个清零位的索引，（即，下一个零位），从由startIndex指定的索引开始
18	int nextSetBit(int startIndex) 返回下一组位（即，下一个1比特）的索引，从由startIndex指定的索引开始。如果没有位被设置，则返回1。
19	void or(BitSet bitSet) OR值调用的内容BitSet中对象，通过BitSet指定。结果被放置到调用对象。
20	void set(int index) 设置由index指定的位。
21	void set(int index, boolean v) 设置由index指定在v. true为传递的值的位设置位，false则清除该位。
22	void set(int startIndex, int endIndex) 设置位将从startIndex到endIndex.1。
23	void set(int startIndex, int endIndex, boolean v) 设置位从startIndex到endIndex.1，在真正传递的值v设置位，清除位为false。
24	int size( ) 返回位在调用BitSet中对象的数量。
25	String toString( ) 返回字符串相当于调用BitSet中的对象。
26	void xor(BitSet bitSet) 在异或调用BitSet中对象的内容与由BitSet指定。结果存放到调用对象。

BloomFilter的使用场景

1，爬虫的URL过滤。

2，日志分析

3，用户数统计等等等

总之使用布隆过滤器应该是可能容忍小概率误判的场景，不然慎用。。。