【Redis系列】Redis布隆过滤之8亿大数据集实战
序言
即便平凡的日子仿佛毫无波澜，但在某个特定的时刻，执着的努力便会显现出它的价值和意义。
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希望这篇文章能让你不仅有一定的收获，而且可以愉快的学习，如果有什么建议，都可以留言和我交流
1 问题描述
接到一个优化场景：
小程序用户的openid作为最主要的业务查询字段，在做了缓存设计之后仍有非常高频的查询，通过埋点简单统计约在每日1000w次。
其中：由于有新增用户，新增矩阵小程序等原因
导致请求的openid根本不存在MySQL数据库中，这部分统计约占30%左右，也就是约300w次查询是浪费的。
2 解决思路
优化的思路也非常简单：布隆过滤（bloom filter）
它作为非常成熟的方案很适合类似场景，所以使用bloom在查MySQL之前优先判断openid是否存在就可以解决这个问题。
虽然平时对bloom的原理有所了解，但是本次主要的挑战是需要过滤的openid数据集有8亿，具体实施的过程中遇到了很多没有考虑过的细节，因此整理分享一下。
3 方案介绍
1. 布隆过滤
先简单描述一下bloom filter的原理
布隆过滤器（Bloom Filter）
- 是一种数据结构，其主要功能是判断某个元素是否出现在集合中。
- 它通过使用多个哈希函数将元素映射到一个位数组中，并将对应位标记为1，来实现对元素的判重。
- 如果一个元素在位数组中对应的位置上有一位为0，那么该元素一定不存在于集合中，
- 如果所有对应位都为1，那么该元素可能存在于集合中。
具体来说：
当要加入一个元素时，使用多个不同的哈希函数对该元素进行哈希，得到多个哈希值，然后将这些哈希值对应的位数组上的位置置为1。
当查找一个元素时，同样使用多个哈希函数进行哈希，然后查看对应位置上的位，
- 如果存在任意一位为0，那么该元素不存在于集合中；
- 如果所有位都为1，那么该元素可能存在于集合中，需要进一步确认。
由于布隆过滤器的判重操作只需对位数组进行一次查找，无需遍历整个集合，因此它的查找效率非常高，并且它所占用的空间相对于集合本身也非常少。
但是，布隆过滤器存在一定的误判率。
对于一个元素，如果多个哈希函数将其映射到的位都已被标记为1，则它可能被误判为存在于集合中，即有一定的假阳性率 。
误判率取决于哈希函数的数量和位向量的长度。
2. 8亿数据集怎么做布隆？
8亿数据集做布隆过滤主要需要规划的问题是
- 内存占用|分配、分片
- Hash函数规划
- 如何论证效果
内存占用
说bloom的内存占用前，要来说明一下bloom在redis中的实现：
- Bitmap
Bitmap：是一种Bit数组数据结构，它的主要作用是储存0和1两个状态。
在Redis中，Bitmap通过字符串来实现，一个字符串可以存储超过2^32个元素，所以一个bloom能存储的最大上限就是2^32个，约42.9亿。
那么在redis底层bitmap 和string 其实是同一个结构，只是提供了不同的命令来进行操作，想要看一个redis 对象占用多少内存可以使用 MEMORY USAGE Key，返回的是字节数：
Bitmap内存分配
如上图bitmap操作命令：
setbit key index 1这里有个需要注意的问题是，如果index比较大，比如在10亿位上写1，那么redis在内存分配时其实是分配了一个完整的10亿长度的数组（10亿位是1，前面的全部补0）。
可以理解为是一个非常长的字符串，而不是下意识我们想象很简单的1个bit那么小，它瞬间分配的内存大概在128M
Bitmap读取
既然一个10亿位的bitmap需要128M内存，那么很直接的想法就是，这么大的内存，bitmap读起来会慢吗？
结论当然是不会的。
因为bitmap是一个位数组，它在内存中是连续的，CPU并不需要去读取完整的128M内存，它只要获取到这个数组起始位置，+ index 就可以计算出对应的位置然后进行读取，也就是说，它的时间复杂度是 O(1)
虽然读操作是O(1)的，但是很显然创建一个大的bitmap时是非常重量级的一个操作，布隆过滤的Hash函数计算基本都是32位，64位长度的Hash值
我们无法控制bitmap的增长是一个顺序过程，所以最直接的办法就是控制最大长度
分片 -- Roaring Bitmap
目前openid数据总量已经有8亿+，肯定不能都放入一个Bitmap中，这样就会有个非常大的key，最简单的优化方向就是分片。
Roaring Bitmap (RBM)就是类似的算法：
RBM 的主要思想并不复杂，简单来讲，有如下三条：
- 范围划分：将 32-bit 的范围 ([0, n)) 划分为 2^16 个桶，每一个桶有一个 Container 来存放一个数值的低16位；
- 存储：在存储和查询数值的时候，将一个数值 k 划分为高 16 位(k % 2^16)和低 16 位(k mod 2^16)，取高 16 位找到对应的桶，然后在低 16 位存放在相应的 Container 中；
- 查询判断：当查询一个数值 k 是否存在时，我们只需要判断 k mod 2^16 是否存在于对应的 Container 中即可。
这个例子可以用计算器按一下，就很直观的理解了
举例：821697800 对应的 16 进制数为 30FA1D08， 其中高 16 位为 30FA， 低16位为 1D08。
找到数值为 30FA 的容器（如果该容器不存在，则新建一个）这里用 Bitmap 做存储，找到了相应的容器后，看一下低 16 位的数值 1D08，它相当于是 7432，因此在 Bitmap 中找到相应的位置，将其置为 1 即可。
实现取高位和低位代码：
取高位作桶,就是通过位运算向右移16位
将一个数的二进制位向左或向右移动特定的位数。向左移动相当于在该数的二进制表示中加上多个0，向右移动相当于去掉多余的二进制位$container = $hash >> 16;取低位作数据字段，就是通过&位运算取低16位
它对两个数的每一个二进制位进行比较，只有当两个数的对应二进制位都为1时，结果才会将该位置设置为1，否则设置为0
0xFFFF是16位全1的二进制数的16进制表示方式
可以简单理解为就是截取了一个数的低16位
$index = $hash & 0xFFFF;
做一个git演示，可以看到821697800转换为二进制后，通过位移取值，可以一次一次移，也可以一次移16位
总结一下，Roaring Bitmap 先取高16位做桶，是为了做分片，取低16位做index，主要是为了压缩Bitmap长度，达到节省内存的作用
Hash函数规划
已知openid 8亿，按照预留一倍空间规划，这个布隆过滤器总量为20亿，通过RBM分片分散到2^16 = 65525 个container中，也就是每个container承担3w个元素，这样取低16位长度就不太够了
我们可以取低17位，这样一个container可以存储13w个，我们期望的误差率为千分之一，
那么可以通过布隆计算公式得出需要的Hash函数个数，这里我们直接利用ChatGPT计算就好了：
得出需要15个哈希函数，其实按照公式算出来这个值还是有待论证，
我对它的存疑是这样的：
15个哈希函数，3w个元素，如果不考虑哈希冲突，也就是有15*3w = 45w，而一个container的总长度才13w，真的能满足千分之一的误差率吗？
我去验证了，答案是不能。
45w次hash结果存入一个container中，大多数的位都存满了1，导致误差率高达50%以上，
那么问题出在哪里？没有深究这个公式是如何推导出来的，就用最朴素的方法去尝试了多种条件下的测试。
得出的结论是： 元素n ✖️ 哈希个数k ，不能超过位图长度m（或者超过太多）， 在这个基础上，公式推导的结论是可靠的
继续思考
既然65535个container不能满足需要，那可选的方案就只有继续扩大bitmap长度或者是扩大container数量，
最终用的方案是扩大一倍container数量，也就是取高17位作为container，公式推导需要10个hash，最终也验证了这个结果是对的。
得出了hash个数之后，就需要找一些具体的hash函数，这里贴一些搜集到的hash算法和具体实现的代码：
Redis key数量对性能是否有影响
既然选择了扩大container数量，紧接着需要思考的问题是：
- 选择增大key数量会对redis性能有影响吗？
Redis把所有的key都放在了一个字典当中，它的查询时间复杂度是O(1)，
所以基本上key的数量对于读写操作是不影响的，可以看下Redis 键空间示意图：
但是也不是说Redis 中key过多完全没有影响，它更主要的会影响到备份的效率，特别是启动一个RDB 备份 Process时，key的数量过多会影响RDB的执行效率，而负责数据读取和备份是两个线程，并不影响。
总结
结论就是，只是多了6w的key而已，对Redis来说还是很小case的，相对于可能形成的大key造成的影响，还是简单的多加点key吧。
3 如何论证
在整个实战的过程中，非常大的一个难点是数据集很大，想要验证一遍非常耗时，那么提升redis写入性能就非常重要，所以一开始就想到了使用批处理的方式
$redis->multi()
->set('key1', 'val1')
->get('key1')
->set('key2', 'val2')
->get('key2')
->exec();
但是这里有一个细节， $redis->multi() 支持两种模式，
Redis::MULTI
Redis::PIPELINE
默认是使用Redis::MULTI，但它们的作用和使用方式略有不同：
- Pipeline：将多个命令打包发送给 Redis 服务器，减少了客户端与服务器之间的网络往返次数，从而提高了性能。但是，pipeline 并没有原子化地执行这些命令，因此如果出现错误会导致部分命令执行失败。
- Multi：通过开启一个事务（transaction），将多个命令打包成一个事务，确保这些命令被原子化地执行。由于事务需要等待 EXEC 命令的触发才会真正执行，因此 multi 的性能可能会受到影响。但是，multi 提供了回滚（rollback）和乐观锁控制机制，可以避免在多个客户端同时修改同一资源时出现数据竞争问题。
总结
虽然Multi 功能更强，但是相对的执行效率也慢（当然还是要比单个命令执行要快的，节省了很多网络io时间）
而pipeline模式的性能要比Multi快50倍 （ 这个基准测试是以100w次 setbit操作测试的）
按照pipeline模式下8亿openid * 10 hash = 20个小时来算，
如果用multi，我可能要跑一个月
选对批处理模式，对于大批量数据导入相当重要