redis学习-22- Redis 布隆过滤器原理/图解

21.布隆过滤器（原理+图解）

• 布隆过滤器（Bloom Filter）是 Redis 4.0 版本提供的新功能，它被作为插件加载到 Redis 服务器中，给 Redis 提供强大的去重功能。
• 相比于 Set 集合的去重功能而言，布隆过滤器在空间上能节省 90% 以上，但是它的不足之处是去重率大约在 99% 左右，也就是说有 1% 左右的误判率，这种误差是由布隆过滤器的自身结构决定的。想要节省空间，需要牺牲 1% 的误判率，而且这种误判率，在处理海量数据时，这种误判率是可以忽略的。
• 布隆过滤器是 Redis 的高级功能，虽然这种结构的去重率并不完全精确，但和其他结构一样都有特定的应用场景，比如当处理海量数据时，就可以使用布隆过滤器实现去重。例如：
  • 百度爬虫系统每天会面临海量的 URL 数据，我们希望它每次只爬取最新的页面，而对于没有更新过的页面则不爬取，因此爬虫系统必须对已经抓取过的 URL 去重，否则会严重影响执行效率。但是如果使用一个 set（集合）去装载这些 URL 地址，那么将造成资源空间的严重浪费。
  • 垃圾邮件过滤功能也采用了布隆过滤器。虽然在过滤的过程中，布隆过滤器会存在一定的误判，但比较于牺牲宝贵的性能和空间来说，这一点误判是微不足道的。

22.1 工作原理

• 布隆过滤器（Bloom Filter）是一个高空间利用率的概率性数据结构，由二进制向量（即位数组）和一系列随机映射函数（即哈希函数）两部分组成。
• 布隆过滤器使用exists()来判断某个元素是否存在于自身结构中。当布隆过滤器判定某个值存在时，其实这个值只是有可能存在；当它说某个值不存在时，那这个值肯定不存在，这个误判概率大约在 1% 左右。

22.1.1 工作流程-添加元素：

• 布隆过滤器主要由位数组和一系列 hash 函数构成，其中位数组的初始状态都为 0。对布隆过滤器工作流程做简单描述，如下图所示：

• 当使用布隆过滤器添加 key 时，会使用不同的 hash 函数对 key 存储的元素值进行哈希计算，从而会得到多个哈希值。根据哈希值计算出一个整数索引值，将该索引值与位数组长度做取余运算，最终得到一个位数组位置，并将该位置的值变为 1。每个 hash 函数都会计算出一个不同的位置，然后把数组中与之对应的位置变为 1。通过上述过程就完成了元素添加(add)操作。

22.1.2 工作流程-判定元素是否存在

• 当我们需要判断一个元素是否存时，其流程如下：首先对给定元素再次执行哈希计算，得到与添加元素时相同的位数组位置，判断所得位置是否都为 1，如果其中有一个为 0，那么说明元素不存在，若都为 1，则说明元素有可能存在。

22.1.3 可能“存在”？

• 为什么是有可能存在？其实原因很简单，那些被置为 1 的位置也可能是由于其他元素的操作而改变的。比如，元素1 和 元素2，这两个元素同时将一个位置变为了 1（图1所示）。在这种情况下，我们就不能判定“元素 1”一定存在，这是布隆过滤器存在误判的根本原因。

21.2 安装与使用

• 在 Redis 4.0 版本之后，布隆过滤器才作为插件被正式使用。布隆过滤器需要单独安装，下面介绍安装 RedisBloom 的几种方法：

21.2.1 docker安装：

• docker 安装布隆过滤器是最简单、快捷的一种方式：

docker pull redislabs/rebloom:latest
docker run -p 6379:6379 --name redis-redisbloom redislabs/rebloom:latest
docker exec -it redis-redisbloom bash
redis-cli
#测试是否安装成功
127.0.0.1:6379> bf.add u1:name tony
(integer) 1

21.2.2 直接编译安装

• 对 docker 不熟悉，也可以采用直接编译的方式来安装。下载地址：https://github.com/RedisBloom/RedisBloom/releases

#将下载下的RedisBloom利用Xftp工具上传到/usr/local/src目录，本版本使用RedisBloom-2.2.9.zip，新版本有可能存在问题。
[root@VM-0-3-centos ~]# cd /usr/local/src
[root@VM-0-3-centos src]# unzip RedisBloom-2.2.9.zip
#进入解压目录
[root@VM-0-3-centos src]# cd /usr/local/src/RedisBloom-2.2.9
执行编译命令，生成redisbloom.so 文件：
make
[root@VM-0-3-centos RedisBloom-2.2.9]# ll
total 424
drwxr-xr-x 3 root root   4096 Nov  8  2021 build
-rw-r--r-- 1 root root    211 Nov  8  2021 changelog
-rw-r--r-- 1 root root    520 Nov  8  2021 codecov.yml
drwxr-xr-x 2 root root   4096 Dec  7 17:33 contrib
-rw-r--r-- 1 root root    431 Nov  8  2021 Dockerfile
drwxr-xr-x 3 root root   4096 Nov  8  2021 docs
-rw-r--r-- 1 root root   5789 Nov  8  2021 LICENSE
-rw-r--r-- 1 root root   3310 Nov  8  2021 Makefile
-rw-r--r-- 1 root root   1464 Nov  8  2021 mkdocs.yml
drwxr-xr-x 3 root root   4096 Nov  8  2021 opt
-rw-r--r-- 1 root root    538 Nov  8  2021 ramp.yml
-rw-r--r-- 1 root root   4658 Nov  8  2021 README.md
-rwxr-xr-x 1 root root 359160 Dec  7 17:33 redisbloom.so
drwxr-xr-x 2 root root   4096 Dec  7 17:33 rmutil
drwxr-xr-x 2 root root   4096 Dec  7 17:33 src
-rwxr-xr-x 1 root root   2092 Nov  8  2021 system-setup.py
drwxr-xr-x 3 root root   4096 Nov  8  2021 tests

#将make后生成的redisbloom.so文件拷贝至redis指定目录：
[root@VM-0-3-centos RedisBloom-2.2.9]# cp redisbloom.so /usr/local/redis/bin/redisbloom.so


[root@localhost RedisBloom-2.2.9]# cd /usr/local/redis/conf
[root@localhost conf]# vim redis.conf

#在redis配置文件redis.conf里配置加载该模块：
loadmodule /usr/local/redis/bin/redisbloom.so

#先关闭redis服务
[root@VM-0-3-centos conf]# redis-cli -a xxxxx
Warning: Using a password with '-a' or '-u' option on the command line interface may not be safe.
127.0.0.1:6379> shutdown
not connected> exit

#然后在启动redis服务端，注意redis配置文件的路径
[root@VM-0-3-centos conf]# redis-server redis.conf
#或者使用如下命令启动，要在安装的时候将启动文件加到/etc/init.d/
#sudo /etc/init.d/redis-server start

#测试是否安装成功
127.0.0.1:6379> bf.add u1:name tony
(integer) 1

出现问题：在使用RedisBloom-2.4.3新版本进行编译时，出现/rules文件找不到问题，出现在编译文件Makefile:224行，说明系统环境不允许安装新版本的RedisBloom，那就将版本降一些。

[root@VM-0-3-centos src]# cd RedisBloom-2.4.3
[root@VM-0-3-centos RedisBloom-2.4.3]# make
Makefile:224: /rules: No such file or directory
make: *** No rule to make target ‘/rules’. Stop.

解决方法：使用RedisBloom-2.2.9.zip版本即可

21.3 常用命令

命令	说明
bf.add	只能添加元素到布隆过滤器。
bf.exists	判断某个元素是否在于布隆过滤器中。
bf.madd	同时添加多个元素到布隆过滤器。
bf.mexists	同时判断多个元素是否存在于布隆过滤器中。
bf.reserve	以自定义的方式设置布隆过滤器参数值，共有 3 个参数分别是 key、error_rate(错误率)、initial_size(初始大小)。

#添加元素于布隆过滤器中。
127.0.0.1:6379> bf.add u1:name tony
(integer) 1
#验证是否在于布隆过滤器中。
remote:0>bf.exists u1:name tony
"1"
#添加多个元素到布隆过滤器，同用一个key。
remote:0>bf.madd us:name zs ls ww
 1)  "1"
 2)  "1"
 3)  "1"
#判断多个元素是否存在于布隆过滤器中。
remote:0>bf.mexists us:name zs ww
 1)  "1"
 2)  "1"
#不在布隆过滤器中的元素返回0
remote:0>bf.mexists us:name zs wws
 1)  "1"
 2)  "0"

21.4 Python使用布隆过滤器

• 使用 Python 测试布隆过滤器的误判率：

import redis
size=10000
r = redis.Redis()
count = 0
for i in range(size):
    #添加元素，key为userid，值为user0...user9999
    r.execute_command("bf.add", "userid", "user%d" % i)
    #判断元素是否存在，此处切记 i+1
    res = r.execute_command("bf.exists", "userid", "user%d" % (i + 1))
    if res == 1:
        print(i)
        count += 1
#求误判率，round()中的5表示保留的小数点位数
print("size: {} ,error rate:{}%".format(size, round(count / size * 100, 5)))

• 执行三次测试，size 从小到大。输出结果如下：

size: 1000 , error rate: 1.0%
size: 10000 , error rate: 1.25%
size: 100000 , error rate: 1.305%

• 通过上述结果可以看出布隆过滤器的错误率为 1% 多点，当 size 越来越大时，布隆过滤器的错误率就会升高，那么有没有办法降低错误率呢？这就用到了布隆过滤器提供的bf.reserve方法。如果不使用该方法设置参数，那么布隆过滤器将按照默认参数进行设置，如下所示：

• 当放入过滤器中的元素数量超过了 initial_size 值时，错误率 error_rate 就会升高。因此就需要设置一个较大 initial_size 值，避免因数量超出导致的错误率上升。

• **解决错误率过高的问题：**错误率越低，所需要的空间也会越大，因此就需要我们尽可能精确的估算元素数量，避免空间的浪费。我们也要根据具体的业务来确定错误率的许可范围，对于不需要太精确的业务场景，错误率稍微设置大一点也可以。

注意：如果要使用自定义的布隆过滤器需要在 add 操作之前，使用 bf.reserve 命令显式地创建 key，格式如下：

client.execute_command("bf.reserve", "keyname", 0.001, 50000)

• 布隆过滤器相比于平时常用的的列表、散列、集合等数据结构，其占用空间更少、效率更高，但缺点就是返回的结果具有概率性，并不是很准确。在理论情况下，添加的元素越多，误报的可能性就越大。再者，存放于布隆过滤器中的元素不容易被删除，因为可能出现会误删其他元素情况。

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