前言
布隆过滤器相信大家没用过的话，也已经听过了。
布隆过滤器主要是为了解决海量数据的存在性问题。对于海量数据中判定某个数据是否存在且容忍轻微误差这一场景（比如缓存穿透、海量数据去重）来说，非常适合。
什么是布隆过滤器？
首先，我们需要了解布隆过滤器的概念。
布隆过滤器（Bloom Filter，BF）是一个叫做 Bloom 的老哥于 1970 年提出的。我们可以把它看作由二进制向量（或者说位数组）和一系列随机映射函数（哈希函数）两部分组成的数据结构。相比于我们平时常用的 List、Map、Set 等数据结构，它占用空间更少并且效率更高，但是缺点是其返回的结果是概率性的，而不是非常准确的。理论情况下添加到集合中的元素越多，误报的可能性就越大。并且，存放在布隆过滤器的数据不容易删除。
Bloom Filter 会使用一个较大的 bit 数组来保存所有的数据，数组中的每个元素都只占用 1 bit ，并且每个元素只能是 0 或者 1（代表 false 或者 true），这也是 Bloom Filter 节省内存的核心所在。这样来算的话，申请一个 100w 个元素的位数组只占用 1000000Bit / 8 = 125000 Byte = 125000/1024 KB ≈ 122KB 的空间。
位数组
总结： 一个名叫 Bloom 的人提出了一种来检索元素是否在给定大集合中的数据结构，这种数据结构是高效且性能很好的，但缺点是具有一定的错误识别率和删除难度。并且，理论情况下，添加到集合中的元素越多，误报的可能性就越大。
布隆过滤器的原理介绍
当一个元素加入布隆过滤器中的时候，会进行如下操作：
使用布隆过滤器中的哈希函数对元素值进行计算，得到哈希值（有几个哈希函数得到几个哈希值）。
根据得到的哈希值，在位数组中把对应下标的值置为 1。
当我们需要判断一个元素是否存在于布隆过滤器的时候，会进行如下操作：
对给定元素再次进行相同的哈希计算；
得到值之后判断位数组中的每个元素是否都为 1，如果值都为 1，那么说明这个值在布隆过滤器中，如果存在一个值不为 1，说明该元素不在布隆过滤器中。Bloom Filter 的简单原理图如下：
Bloom Filter 的简单原理示意图
如图所示，当字符串存储要加入到布隆过滤器中时，该字符串首先由多个哈希函数生成不同的哈希值，然后将对应的位数组的下标设置为 1（当位数组初始化时，所有位置均为 0）。当第二次存储相同字符串时，因为先前的对应位置已设置为 1，所以很容易知道此值已经存在（去重非常方便）。
如果我们需要判断某个字符串是否在布隆过滤器中时，只需要对给定字符串再次进行相同的哈希计算，得到值之后判断位数组中的每个元素是否都为 1，如果值都为 1，那么说明这个值在布隆过滤器中，如果存在一个值不为 1，说明该元素不在布隆过滤器中。
不同的字符串可能哈希出来的位置相同，这种情况我们可以适当增加位数组大小或者调整我们的哈希函数。
综上，我们可以得出： 布隆过滤器说某个元素存在，小概率会误判。布隆过滤器说某个元素不在，那么这个元素一定不在。
布隆过滤器使用场景
判断给定数据是否存在：比如判断一个数字是否存在于包含大量数字的数字集中（数字集很大，上亿）、 防止缓存穿透（判断请求的数据是否有效避免直接绕过缓存请求数据库）等等、邮箱的垃圾邮件过滤（判断一个邮件地址是否在垃圾邮件列表中）、黑名单功能（判断一个 IP 地址或手机号码是否在黑名单中）等等。
去重：比如爬给定网址的时候对已经爬取过的 URL 去重、对巨量的 QQ 号/订单号去重。
去重场景也需要用到判断给定数据是否存在，因此布隆过滤器主要是为了解决海量数据的存在性问题。
编码实战
通过 Java 编程手动实现布隆过滤器
我们上面已经说了布隆过滤器的原理，知道了布隆过滤器的原理之后就可以自己手动实现一个了。
如果你想要手动实现一个的话，你需要：
一个合适大小的位数组保存数据
几个不同的哈希函数
添加元素到位数组（布隆过滤器）的方法实现
判断给定元素是否存在于位数组（布隆过滤器）的方法实现。下面给出一个我觉得写的还算不错的代码（参考网上已有代码改进得到，对于所有类型对象皆适用）：
import java.util.BitSet; public class MyBloomFilter { /** * 位数组的大小 */ private static final int DEFAULT_SIZE = 2 << 24; /** * 通过这个数组可以创建 6 个不同的哈希函数 */ private static final int[] SEEDS = new int[]{3, 13, 46, 71, 91, 134}; /** * 位数组。数组中的元素只能是 0 或者 1 */ private BitSet bits = new BitSet(DEFAULT_SIZE); /** * 存放包含 hash 函数的类的数组 */ private SimpleHash[] func = new SimpleHash[SEEDS.length]; /** * 初始化多个包含 hash 函数的类的数组，每个类中的 hash 函数都不一样 */ public MyBloomFilter() { // 初始化多个不同的 Hash 函数 for (int i = 0; i < SEEDS.length; i++) { func[i] = new SimpleHash(DEFAULT_SIZE, SEEDS[i]); } } /** * 添加元素到位数组 */ public void add(Object value) { for (SimpleHash f : func) { bits.set(f.hash(value), true); } } /** * 判断指定元素是否存在于位数组 */ public boolean contains(Object value) { boolean ret = true; for (SimpleHash f : func) { ret = ret && bits.get(f.hash(value)); } return ret; } /** * 静态内部类。用于 hash 操作！ */ public static class SimpleHash { private int cap; private int seed; public SimpleHash(int cap, int seed) { this.cap = cap; this.seed = seed; } /** * 计算 hash 值 */ public int hash(Object value) { int h; return (value == null) ? 0 : Math.abs(seed * (cap - 1) & ((h = value.hashCode()) ^ (h >>> 16))); } } }
测试：
String value1 = "https://javaguide.cn/"; String value2 = "https://github.com/Snailclimb"; MyBloomFilter filter = new MyBloomFilter(); System.out.println(filter.contains(value1)); System.out.println(filter.contains(value2)); filter.add(value1); filter.add(value2); System.out.println(filter.contains(value1)); System.out.println(filter.contains(value2));
Output:
false false true true
测试：
Integer value1 = 13423; Integer value2 = 22131; MyBloomFilter filter = new MyBloomFilter(); System.out.println(filter.contains(value1)); System.out.println(filter.contains(value2)); filter.add(value1); filter.add(value2); System.out.println(filter.contains(value1)); System.out.println(filter.contains(value2));
Output:
false false true true
利用 Google 开源的 Guava 中自带的布隆过滤器
自己实现的目的主要是为了让自己搞懂布隆过滤器的原理，Guava 中布隆过滤器的实现算是比较权威的，所以实际项目中我们不需要手动实现一个布隆过滤器。
首先我们需要在项目中引入 Guava 的依赖：
<dependency> <groupId>com.google.guava</groupId> <artifactId>guava</artifactId> <version>28.0-jre</version> </dependency>
实际使用如下：
我们创建了一个最多存放 最多 1500 个整数的布隆过滤器，并且我们可以容忍误判的概率为百分之（0.01）
// 创建布隆过滤器对象 BloomFilter<Integer> filter = BloomFilter.create( Funnels.integerFunnel(), 1500, 0.01); // 判断指定元素是否存在 System.out.println(filter.mightContain(1)); System.out.println(filter.mightContain(2)); // 将元素添加进布隆过滤器 filter.put(1); filter.put(2); System.out.println(filter.mightContain(1)); System.out.println(filter.mightContain(2));
在我们的示例中，当 mightContain() 方法返回 true 时，我们可以 99％确定该元素在过滤器中，当过滤器返回 false 时，我们可以 100％确定该元素不存在于过滤器中。
总结
Guava 提供的布隆过滤器的实现还是很不错的（想要详细了解的可以看一下它的源码实现），但是它有一个重大的缺陷就是只能单机使用（另外，容量扩展也不容易），而现在互联网一般都是分布式的场景。为了解决这个问题，我们就需要用到 Redis 中的布隆过滤器了。
