BloomFilter算法概述

 Bloom Filter是由Bloom在1970年提出的一种多哈希函数映射的快速查找算法。通常应用在一些需要快速判断某个元素是否属于集合，但是并不严格要求100%正确的场合。
一. 实例 
    为了说明Bloom Filter存在的重要意义，举一个实例：
    假设要你写一个网络蜘蛛（web crawler）。由于网络间的链接错综复杂，蜘蛛在网络间爬行很可能会形成“环”。为了避免形成“环”，就需要知道蜘蛛已经访问过那些URL。给一个URL，怎样知道蜘蛛是否已经访问过呢？稍微想想，就会有如下几种方案：

1.     将访问过的URL保存到数据库。
2.     用HashSet将访问过的URL保存起来。那只需接近O(1)的代价就可以查到一个URL是否被访问过了。
3.     URL经过MD5或SHA-1等单向哈希后再保存到HashSet或数据库。
4.     Bit-Map方法。建立一个BitSet，将每个URL经过一个哈希函数映射到某一位。

     方法1~3都是将访问过的URL完整保存，方法4则只标记URL的一个映射位。
    以上方法在数据量较小的情况下都能完美解决问题，但是当数据量变得非常庞大时问题就来了。
    方法1的缺点：数据量变得非常庞大后关系型数据库查询的效率会变得很低。而且每来一个URL就启动一次数据库查询是不是太小题大做了？
    方法2的缺点：太消耗内存。随着URL的增多，占用的内存会越来越多。就算只有1亿个URL，每个URL只算50个字符，就需要5GB内存。
    方法3：由于字符串经过MD5处理后的信息摘要长度只有128Bit，SHA-1处理后也只有160Bit，因此方法3比方法2节省了好几倍的内存。
    方法4消耗内存是相对较少的，但缺点是单一哈希函数发生冲突的概率太高。还记得数据结构课上学过的Hash表冲突的各种解决方法么？若要降低冲突发生的概率到1%，就要将BitSet的长度设置为URL个数的100倍。
    实质上上面的算法都忽略了一个重要的隐含条件：允许小概率的出错，不一定要100%准确！也就是说少量url实际上没有没网络蜘蛛访问，而将它们错判为已访问的代价是很小的——大不了少抓几个网页呗。 
二. Bloom Filter的算法 
    废话说到这里，下面引入本篇的主角——Bloom Filter。其实上面方法4的思想已经很接近Bloom Filter了。方法四的致命缺点是冲突概率高，为了降低冲突的概念，Bloom Filter使用了多个哈希函数，而不是一个。
    Bloom Filter算法如下：
    创建一个m位BitSet，先将所有位初始化为0，然后选择k个不同的哈希函数。第i个哈希函数对字符串str哈希的结果记为h（i，str），且h（i，str）的范围是0到m-1 。
(1) 加入字符串过程 
    下面是每个字符串处理的过程，首先是将字符串str“记录”到BitSet中的过程：

    对于字符串str，分别计算h（1，str），h（2，str）…… h（k，str）。然后将BitSet的第h（1，str）、h（2，str）…… h（k，str）位设为1。

    很简单吧？这样就将字符串str映射到BitSet中的k个二进制位了。
(2) 检查字符串是否存在的过程 
    下面是检查字符串str是否被BitSet记录过的过程：
    对于字符串str，分别计算h（1，str），h（2，str）…… h（k，str）。然后检查BitSet的第h（1，str）、h（2，str）…… h（k，str）位是否为1，若其中任何一位不为1则可以判定str一定没有被记录过。若全部位都是1，则“认为”字符串str存在。
    若一个字符串对应的Bit不全为1，则可以肯定该字符串一定没有被Bloom Filter记录过。（这是显然的，因为字符串被记录过，其对应的二进制位肯定全部被设为1了）
    但是若一个字符串对应的Bit全为1，实际上是不能100%的肯定该字符串被Bloom Filter记录过的。（因为有可能该字符串的所有位都刚好是被其他字符串所对应）这种将该字符串划分错的情况，称为false positive 。
(3) 删除字符串过程 
    字符串加入了就被不能删除了，因为删除会影响到其他字符串。实在需要删除字符串的可以使用Counting bloomfilter(CBF)，这是一种基本Bloom Filter的变体，CBF将基本        Bloom Filter每一个Bit改为一个计数器，这样就可以实现删除字符串的功能了。count占用4位即可，详细参考：深入解析Bloom Filter(上)
    Bloom Filter跟单哈希函数Bit-Map不同之处在于：Bloom Filter使用了k个哈希函数，每个字符串跟k个bit对应。从而降低了冲突的概率。
三. Bloom Filter参数选择 
(1)哈希函数选择
    哈希函数的选择对性能的影响应该是很大的，一个好的哈希函数要能近似等概率的将字符串映射到各个Bit。选择k个不同的哈希函数比较麻烦，一种简单的方法是选择一个哈希函数，然后送入k个不同的参数。
(2)Bit数组大小选择 
    哈希函数个数k、位数组大小m、加入的字符串数量n的关系可以参考参考文献1。该文献证明了对于给定的m、n，当 k = ln(2)* m/n 时出错的概率是最小的。
    同时该文献还给出特定的k，m，n的出错概率。例如：根据参考文献1，哈希函数个数k取10，位数组大小m设为字符串个数n的20倍时，false positive发生的概率是0.0000889 ，这个概率基本能满足网络爬虫的需求了。 
四. Bloom Filter实现代码 
　 下面给出一个简单的Bloom Filter的Java实现代码：

[java]  view plain  copy

 

1. package algorithm;  
2. import java.util.BitSet;  
3. public class BloomFilter  
4. {  
5.     /* BitSet初始分配2^24个bit */  
6.     private static final int DEFAULT_SIZE = 1 << 25;  
7.     /* 不同哈希函数的种子，一般应取质数 */  
8.     private static final int[] seeds = new int[]{ 5, 7, 11, 13, 31, 37, 61 };  
9.     private BitSet bits = new BitSet(DEFAULT_SIZE);  
10.     /* 哈希函数对象 */  
11.     private SimpleHash[] func = new SimpleHash[seeds.length];  
12.   
13.     public BloomFilter()  
14.     {  
15.         for (int i = 0; i < seeds.length; i++)  
16.         {  
17.             func[i] = new SimpleHash(DEFAULT_SIZE, seeds[i]);  
18.         }  
19.     }  
20.   
21.     // 将字符串标记到bits中  
22.     public void add(String value)  
23.     {  
24.         for (SimpleHash f : func)  
25.         {  
26.             bits.set(f.hash(value), true);  
27.         }  
28.     }  
29.   
30.     // 判断字符串是否已经被bits标记  
31.     public boolean contains(String value)  
32.     {  
33.         if (value == null)  
34.         {  
35.             return false;  
36.         }  
37.         boolean ret = true;  
38.         for (SimpleHash f : func)  
39.         {  
40.             ret = ret && bits.get(f.hash(value));  
41.         }  
42.         return ret;  
43.     }  
44.   
45.     /* 哈希函数类 */  
46.     public static class SimpleHash  
47.     {  
48.         private int cap;  
49.         private int seed;  
50.   
51.         public SimpleHash(int cap, int seed)  
52.         {  
53.             this.cap = cap;  
54.             this.seed = seed;  
55.         }  
56.   
57.         // hash函数，采用简单的加权和hash  
58.         public int hash(String value)  
59.         {  
60.             int result = 0;  
61.             int len = value.length();  
62.             for (int i = 0; i < len; i++)  
63.             {  
64.                 result = seed * result + value.charAt(i);  
65.             }  
66.             return (cap - 1) & result;  
67.         }  
68.     }  
69. }