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布隆过滤器和布谷鸟过滤器

article 2024/12/23 9:22:15

布隆过滤器

布隆鸟过滤器（Bloom Filter）是一中数据结构，由一个bit数组和多个hash函数构成，可以用于快速判断某个元素是否在某个集合里面。相比于传统的哈希表，更加节省空间，但存在一定的误报率（false positives），即可能会错误地报告一个元素存在于集合中，但实际上并不存在。

在这里插入图片描述

布隆过滤器的基本原理

初始化：
- 布隆过滤器由一个很长的二进制bit数组和 k 个独立的哈希函数组成。
- 位数组初始化时所有位都是0。
插入操作：
- 当一个元素被加入到布隆过滤器时，它会通过多个不同的哈希函数进行哈希。
- 每个哈希函数会产生一个索引位置，该位置在位数组中对应的位会被设置为1。
查询操作：
- 查询一个元素是否存在时，同样使用k个哈希函数计算出位数组中的索引位置。
- 如果所有这些位置上的值都为1，则认为该元素可能存在于集合中；否则确定该元素不在集合中。

优点：

因为只存储0或1，在只需要判定元素是否存在的情况下，极大地节省存储空间。
插入和查询的时间复杂度接近O(1)，非常高效。

缺点：

无法删除元素（因为直接把某个元素的key都置为零会影响到其它元素），只能增加或者查询元素
只能准确判断元素不存在，若判定某个元素存在集合中，有误判的可能（可通过添加多个hash函数来解决），不容许误判的场合不适用
只是判断元素是否存在，没有进行冲突处理

应用场景

布隆过滤器适用于对存储空间敏感且可以接受一定误报率的场景，例如：

解决缓存穿透问题，比如查询redis前先经过布隆过滤器，那些不存在于MySQL的数据就会被提前过滤掉
网络爬虫中过滤已访问的网页URL。
数据库系统中快速判断一个键是否存在于大型数据集中。
内存缓存系统中检查数据是否已被缓存。
黑名单或白名单的实现。

由于布隆过滤器的这些特性，它在大数据处理、数据库优化以及网络应用中都有广泛的应用。

如何降低误判率？

增加hash函数个数

如何实现过滤？

被布隆过滤器判定为不存在集合中的元素可以直接排除掉（实现过滤），当然，被布隆过滤器判定存在时，只是可能存在，需要要做进一步判定，这就是过滤的意义，把绝大多数不存在的情况先排除掉，剩下的小部分情况做特殊操作。

面试问到布隆鸟过滤器是什么怎么回答？

布隆鸟过滤器是一个数据结构，由一个bit数组和多个hash函数构成，可以用于快速判断某个元素是否在某个集合里面。它的基本工作原理是：当添加一个元素到集合里的时，依次通过各个hash函数去计算对应的hash值，每个hash值对应bit数组的一个位置，让对应位置的都置为1。然后要判断某个元素是否在集合里面时，只需要依次判断对应hash值的位置的值是否全为1即可，如果不是全为1则说明不在集合里，如果全为1则说明在集合里（当然全1的情况可能存在误判）。