Dynamic Count Filter

Spectral bloom filter（SBF）在counting bloom filter（CBF）的基础上提出了元素出现频率查询的概念，将CBF的应用扩展到了multi-set的领域。但是，SBF为解决动态counter的存储问题，引入了复杂的索引结构，这让每个counter的访问变得复杂而耗时。有没有一种解决方案既支持元素出现频率查询，结构又相对比较简单呢？Dynamic count filter（DCF）尝试回答了这个问题。

 

要支持元素出现频率查询，就需要解决变化范围可能很大的counter的存储问题。DCF和SBF的不同之处，也就是counter的存储结构。DCF使用两个数组来存储所有的counter，它们的长度都为m（即bloom filter的位数组长度）。第一个数组是一个基本的CBF（即下图中的CBFV，counting bloom filter vector），counter的长度固定，为x = log(M/n)，其中M是集合中所有元素的个数，n为集合中不同元素的个数。第二个数组用来处理counter的溢出（即下图中的OFV，overflow vector），数组每一项的长度并不固定，根据counter的溢出情况动态调整。假设OF_j是OFV中某一项的值，那么OFV中每一项的长度y = floor(log(max(OF_j))) + 1，即最大值决定了每项长度。

 

上图中最右一列是counter的值，从图中我们可以清楚地看出OFV和CBFV的作用。比如第5个counter的值是1026，二进制为10000000010。我们把这个二进制位串分成两段100和00000010，分别就对应着OFV和CBFV中的值。图中我们也可以看出x + y就等于counter的最大值的二进制位数。

 

在查询一个counter时，DCF要求两次内存访问。假设想查询位置为j的counter的值，我们先读出CBFV和OFV的值，分别为C_j和OF_j，那么counter的值就可以表示为V_j = (2^x ×OF_j ＋ C_j)。

 

在集合增加元素时，如果OFV的最大值从2^x – 1增加到2^x，OFV就需要给每一项增加1位，否则就会溢出。每次OFV大小改变的时候都需要重建。重建是一件开销很大的工作，必须重新创建一个OFV数组，然后把旧OFV数组的值拷贝到新建的OFV数组中，最后把旧OFV数组的空间释放掉。如果说增加时的overflow必须重建的话，那么集合元素减少时的underflow则有更多选择。当OFV的最大值从2^x减少到2^x – 1时，我们可以选择马上重建OFV，也可以采用一些策略延迟OFV的重建，以避免一些临时性的减少导致OFV反复重建。

 

从上面的介绍可以看出，DCF中最大的那个counter决定了整个结构所占的空间。因此，在counter的值普遍不大的情况下，DCF由于不用维护复杂的索引结构，所以占用空间比SBF要少。如果将counter的值逐渐增大，SBF在空间占用上的优势就会越来越明显。在counter存取时间上，DCF占有绝对的优势，只比CBF多访问了一次内存。在不同的实际应用场合中对比SBF和DCF，论文作者发现DCF整体占用的空间以及执行时间都比SBF少了一半还多。最后，我们给出一个将CBF、SBF和DCF定性比较的表格：

参考论文：http://www.sigmod.org/sigmod/record/issues/0603/p26-article-pey.pdf