布隆过滤器原理简介

目录

 

1.布隆过滤器简介

2. 布隆过滤器的实现思路

3.布隆过滤器的公式

4.实际应用场景 

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1.布隆过滤器简介

布隆过滤器（Bloom Filter）是由一个很长的bit数组和一系列哈希函数组成的。本质上是一种数据结构，比较巧妙的概率型数据结构。它的特点是高效地插入和查询，并且根据查询结果可以知道某样东西一定不存在或者可能存在。相比于传统的 List、Set、Map 等数据结构，它更高效、占用空间更少，但是缺点是其返回的结果是概率性的，而不是确切的，同时布隆过滤器还有一个缺陷就是数据只能插入不能删除。

2. 布隆过滤器的实现思路

①设数据集合A={a1,a2,a3,...,an},含有n个元素作为待操作的集合；

②Bloom Filter用一个长度为m的位向量V表示集合中的元素，位向量初始值全为0；

③k个具有均匀分布特性的散列函数h1,h2,...,hk;

④对于要加入的元素，首先经过k个散列函数%m，产生k个随机数h1,h2,...,hk，使向量V的相应位置h1,h2,...,hk均

置位为1。集合中其他元素也通过类似的操作，将向量V的若干位置为1；

⑤对于新要加入的元素的检查，首先将该元素经过上步中类似的操作，获取k个随机数h1,h2,...,hk，然后查看向量V

的相应位置h1,h2,...,hk上的值，若全为1，则该元素已经在之前的集合中；若至少有一个0存在，表明此元素不在之前

的集合中，为新元素。

特点：

对于已经在集合中的元素，通过⑤中的查找方法，一定可以判定该元素在集合中；对于不在集合中的元素，可能会被误判

在集合中。

3.布隆过滤器的公式

布隆过滤器的大小m公式，其中n为样本个数，p为误判率：

哈希函数的个数k公式：

 布隆过滤器真实失误率p公式：

4.实际应用场景 

背景：现在有个100亿个黑名单网页数据，每个网页的URL占用64字节。现在想要实现一种网页过滤系统，可以根据网页的URL判断该网站是否在黑名单上，请设计该系统。

需求：可以允许有0.01%以下的判断失误率，并且使用的总空间不要超过200G。

提取关键信息：100亿条黑名单数据，每条数据占64个字节,万分之一的失误率，总空间不要超过200G。

分析：如果不考虑不布隆过滤器，那么这里存储100亿条数据就需要 100亿 * 64字节 = 596G 显然超过300G

解题：在满足有 100亿条数据 并且允许 万分之一的失误率 的布隆过滤器需要多大的bit数组呢？

• 设bit数组大小为m，样本数量为n，失误率为p。
• 由题可知 n = 100亿，p = 0.01%
• 根据布隆过滤器的大小m公式，求得 m = 19.19n，向上取整为 20n。所以2000亿bit，约为186G。
• 根据哈希函数的个数k公式，求得 k = 14，即需要14个哈希函数。
• 通过 上述计算得到的 m = 20n， k = 14 ，根据布隆过滤器真实失误率p公式，求得 p = 0.006%。