差点跑路!布隆过滤器大key,引发Redis崩溃

本文讨论了在大数据场景下,布隆过滤器在Redis中用于去重时遇到的大key问题,分析了问题成因,提出了控制key大小、拆分大key和使用多个布隆过滤器等解决方案,并强调了监控和优化的重要性。

在大数据场景下,布隆过滤器是一种常用的数据结构,用于快速判断元素是否存在。而 Redis 则是一种流行的缓存和数据存储系统,广泛应用于互联网领域。

然而,当布隆过滤器的 key 过大时,会引发 Redis 的崩溃,给系统带来严重的影响。

做了刚转行互联网不久的新人,来公司不久,做了一个计算弹窗 CTR 的功能,需要通过设备 id 去重,以计算弹窗的 UV CTR。

我这个时候想到了布隆过滤器,在 Redis 存储布隆过滤器,布隆过滤器中存储弹过窗的设备 id。

由于布隆过滤器设置的数据过大,导致线上 Redis IO 报警,差点导致整个 Redis 崩溃,差点跑路!

本文将探讨布隆过滤器大 key 问题的产生原因、解决方法和预防措施。

布隆过滤器的作用和原理

布隆过滤器是一种空间效率高、时间效率低的数据结构,用于快速判断元素是否存在。它通过多个哈希函数将元素映射到一个位数组中,并将对应的位标记为 1。

当判断一个元素是否存在时,将其通过相同的哈希函数映射到位数组中,如果对应的位都为 1,则认为元素存在。

由于布隆过滤器不需要存储元素本身,而只需要存储位数组,因此在处理大规模数据时具有很高的效率。

Redis 的基本概念和用途

Redis 是一种流行的缓存和数据存储系统,具有高性能、高可用性和高扩展性等优点。它支持多种数据结构,包括字符串、哈希表、列表、集合和有序集合等。

Redis 常用于缓存、消息队列、分布式锁和计数器等场景,广泛应用于互联网领域。

布隆过滤器在 Redis 中的应用

在 Redis 中,布隆过滤器常用于去重和快速判断元素是否存在。例如,在爬虫系统中,可以使用布隆过滤器去重,避免重复爬取相同的网页。

在推荐系统中,可以使用布隆过滤器判断用户是否已经看过某个推荐内容,避免重复推荐。

大 key 问题的产生
<think> 首先,用户查询是关于Redis布隆过滤器的面试题。我需要基于提供的站内引用内容来回答。这些引用涵盖了缓存穿透、布隆过滤器原理、Redis实现等。 关键点从引用中提取: - 引用[1]:解释缓存穿透是什么,使用布隆过滤器解决它。布隆过滤器存放合法key,防止查询不存在的数据访问数据库。 - 引用[2]:面试题关于缓存穿透和布隆过滤器原理。描述了布隆过滤器的使用流程和原理,包括多个哈希函数和bitmap。 - 引用[3]:提到redisson实现的布隆过滤器,使用数组存储二进制位,通过多次hash计算。 - 引用[4]:再次讨论缓存穿透解决方案和布隆过滤器原理,包括bitmap结构和初始化。 - 引用[5]:布隆过滤器的优缺点,如高空间效率和误判率。 用户要求生成相关问题作为响应的一部分,基于系统指令:"生成相关问题"。在示例中,响应包括内容后添加相关问题。 响应结构: - 必须清晰、结构化的回答。 - 使用中文。 - 包括相关问题。 - 引用的段落末尾添加引用标识,如[^1]。 组织响应: 1. **引言**:简要介绍Redis布隆过滤器在面试中常见的话题。 2. **核心内容**: - 什么是缓存穿透?布隆过滤器如何解决它。 - 布隆过滤器的原理:包括bitmap结构、哈希函数、初始化过程。 - 布隆过滤器的优缺点:空间效率高,但有误判率。 - Redis中的实现:如redisson的使用。 3. **相关问题**:生成几个相关问题,类似于示例。 确保LaTeX语法正确:如果有数学表达式,用$...$或$$...$$。但在这个主题中,可能没有复杂的数学,主要是描述性的。例如,bitmap位置可以用LaTeX表示,如位置$i$。 引用标识:在相关内容末尾添加引用标识。例如: - "缓存穿透是指当请求的数据在缓存数据库中都不存在时,量请求直接访问数据库的情况[^1]。" - "布隆过滤器使用一个位数组(bitmap),初始值为0,通过多个哈希函数将key映射到数组的特定位置[^3]。" 相关问题: - 基于主题生成。例如: 1. 布隆过滤器是如何初始化的? 2. 什么是布隆过滤器的误判率?如何减少它? 3. Redis中如何实现布隆过滤器? 4. 除了缓存穿透,布隆过滤器还有哪些应用场景? 5. 解释布隆过滤器的时间复杂度。 完整响应结构: - 先回答用户查询。 - 然后添加"相关问题"部分。 最终响应: - 用中文。 - 结构化。 </think> 基于您提供的站内引用内容,我将针对“Redis布隆过滤器的面试题”进行详细解答。Redis布隆过滤器(Bloom Filter)是一种概率型数据结构,常用于解决缓存穿透等问题。它通过一个位数组(bitmap)和多个哈希函数来实现高效的空间利用和查询速度,但存在一定的误判率。以下内容结合引用信息,结构化呈现关键知识点,并在相关段落末尾添加引用标识以确保可靠性。 ### 1. **什么是缓存穿透?布隆过滤器如何解决它?** - **缓存穿透定义**:当量请求查询数据库中不存在的数据时,由于请求在缓存(如Redis)中未命中,每次都会直接访问数据库,导致数据库压力过甚至崩溃[^1][^2][^4]。 - **布隆过滤器的解决方案**: - 在Redis前部署布隆过滤器,作为一层过滤器。所有合法key(如商品ID)在预热阶段被哈希并存储到布隆过滤器的位数组中。 - 查询流程: 1. 请求到达时,先查询布隆过滤器。 2. 如果布隆过滤器判定key不存在(即对应位不全为1),直接返回空结果,避免访问数据库。 3. 如果布隆过滤器判定key存在(所有哈希位置均为1),才查询Redis缓存;若缓存未命中,则访问数据库[^1][^2][^4]。 - 例如,在电商系统中,布隆过滤器防止攻击者请求无效ID,保护数据库[^1][^4]。 ### 2. **布隆过滤器的原理和实现** - **核心原理**: - 布隆过滤器使用一个小为$m$的位数组(bitmap),初始值全为0。 - 添加元素(如key)时: - 应用$k$个独立的哈希函数(如$h_1, h_2, \dots, h_k$)计算元素的哈希值。 - 每个哈希值取模数组长度:$位置 = \text{hash}_i(\text{key}) \mod m$。 - 将对应位置设置为1。 - 查询元素时: - 计算所有哈希位置。 - 如果所有位置均为1,则判定元素“可能存在”;如果有任何一个位置为0,则“一定不存在”[^2][^3][^4][^5]。 - 数学表示:对于一个元素$x$,布隆过滤器查询结果为: $$ \text{Result} = \begin{cases} 1 & \text{if } \forall i \in [1,k], \text{bit}[ \text{hash}_i(x) \mod m ] = 1 \\ 0 & \text{otherwise} \end{cases} $$ 其中误判率取决于$k$和$m$的小[^5]。 - **Redis中的实现**: - Redis可使用redisson库实现布隆过滤器,底层为一个二进制数组。 - 初始化时,通过预热将合法key经过多次哈希(如3次),设置对应位为1[^3][^4]。 - 例如,添加key “abc”: - 计算哈希值$h_1(\text{abc}) \mod m$、$h_2(\text{abc}) \mod m$等。 - 将数组位置设置,查询时同理[^3]。 ### 3. **布隆过滤器的优缺点** - **优点**: - **高空间效率**:位数组占用内存极小,适合海量数据(如亿级黑名单),远优于存储原始key[^2][^5]。 - **快速查询**:时间复杂度$O(k)$,常数时间完成过滤[^2][^5]。 - **缺点**: - **误判率(False Positive)**:可能判定不存在的key为存在(因哈希碰撞),但不会漏报存在的key(False Negative)。误判率可降低但不能消除,需调整$k$和$m$(如增加数组小或哈希函数数量)[^4][^5]。 - **不支持删除**:位数组一旦设置,无法直接移除元素(可能导致其他元素误判)[^5]。 - **适用场景**:除缓存穿透外,还包括垃圾邮件过滤(黑名单校验)、URL去重等[^1][^2]。 ### 4. **面试常见问题和回答模板** - **典型问题**: - “Redis如何防止缓存穿透?” 答:使用布隆过滤器预热合法key,拦截无效请求。 - “布隆过滤器的原理是什么?” 答:基于位数组和多哈希函数,通过设置位标识存在性。 - “布隆过滤器的误判率如何控制?” 答:增加数组小$m$或哈希函数数$k$可降低误判率,但需权衡内存开销[^4][^5]。 - **Redis集成**:在Redis中,可通过BITMAP命令或redisson库实现,结合缓存预热机制[^3][^4]。 ###
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