大数据_HBase_HBase 中的 bloom-filter

2024-05-03 05:58
文章标签 数据 filter hbase bloom

本文主要是介绍大数据_HBase_HBase 中的 bloom-filter,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

参考文章:

1.详解布隆过滤器的原理、使用场景和注意事项

https://www.jianshu.com/p/2104d11ee0a2

2.数学之美:布隆过滤器

https://zhuanlan.zhihu.com/p/72378274

 

什么是布隆过滤器

  本质上布隆过滤器是一种数据结构,比较巧妙的概率型数据结构(probabilistic data structure),特点是高效地插入和查询,可以用来告诉你 “某样东西一定不存在或者可能存在”。

  相比于传统的 List、Set、Map 等数据结构,它更高效、占用空间更少,但是缺点是其返回的结果是概率性的,而不是确切的。

 

 

实现原理

HashMap 的问题

   讲述布隆过滤器的原理之前,我们先思考一下,通常你判断某个元素是否存在用的是什么?应该蛮多人回答 HashMap 吧,确实可以将值映射到 HashMap 的 Key,然后可以在 O(1) 的时间复杂度内返回结果,效率奇高。但是 HashMap 的实现也有缺点,例如存储容量占比高,考虑到负载因子的存在,通常空间是不能被用满的,而一旦你的值很多例如上亿的时候,那 HashMap 占据的内存大小就变得很可观了。

  还比如说你的数据集存储在远程服务器上,本地服务接受输入,而数据集非常大不可能一次性读进内存构建 HashMap 的时候,也会存在问题。

 

 

布隆过滤器数据结构

布隆过滤器是一个 bit 向量或者说 bit 数组,长这样:

 

 

 如果我们要映射一个值到布隆过滤器中,我们需要使用多个不同的哈希函数生成多个哈希值,并对每个生成的哈希值指向的 bit 位置 1,例如针对值 “baidu” 和三个不同的哈希函数分别生成了哈希值 1、4、7,则上图转变为:

 

Ok,我们现在再存一个值 “tencent”,如果哈希函数返回 3、4、8 的话,图继续变为:

 

   值得注意的是,4 这个 bit 位由于两个值的哈希函数都返回了这个 bit 位,因此它被覆盖了。现在我们如果想查询 “dianping” 这个值是否存在,哈希函数返回了 1、5、8三个值,结果我们发现 5 这个 bit 位上的值为 0,说明没有任何一个值映射到这个 bit 位上,因此我们可以很确定地说 “dianping” 这个值不存在。而当我们需要查询 “baidu” 这个值是否存在的话,那么哈希函数必然会返回 1、4、7,然后我们检查发现这三个 bit 位上的值均为 1,那么我们可以说 “baidu” 存在了么?答案是不可以,只能是 “baidu” 这个值可能存在。

   这是为什么呢?答案跟简单,因为随着增加的值越来越多,被置为 1 的 bit 位也会越来越多,这样某个值 “taobao” 即使没有被存储过,但是万一哈希函数返回的三个 bit 位都被其他值置位了 1 ,那么程序还是会判断 “taobao” 这个值存在。



 

支持删除么

传统的布隆过滤器并不支持删除操作。但是名为 Counting Bloom filter 的变种可以用来测试元素计数个数是否绝对小于某个阈值,它支持元素删除。可以参考文章 Counting Bloom Filter 的原理和实现

 

 

布隆过滤器重要参数计算

通过上面的描述,我们可以知道,如果输入量过大,而bitarray空间的大小又很小,那么误判率就会上升。那么bitarray空间大小怎么确定呢?不要慌,已经有人通过数据推倒出公式了!!!哈哈,直接用~

假设输入对象个数为n,bitarray大小(也就是布隆过滤器大小)为m,所容忍的误判率p和哈希函数的个数k。计算公式如下:(小数向上取整

 

注意:由于我们计算的m和k可能是小数,那么需要经过向上取整,此时需要重新计算误判率p!

假设一个网页黑名单有URL为100亿,每个样本为64B,失误率为0.01%,经过上述公式计算后,需要布隆过滤器大小为25GB,这远远小于使用哈希表的640GB的空间。

并且由于是通过hash进行查找的,所以基本都可以在O(1)的时间完成!

 

公式的证明 : https://zhuanlan.zhihu.com/p/43263751

 

 

最佳实践

  常见的适用常见有,利用布隆过滤器减少磁盘 IO 或者网络请求,因为一旦一个值必定不存在的话,我们可以不用进行后续昂贵的查询请求。

  另外,既然你使用布隆过滤器来加速查找和判断是否存在,那么性能很低的哈希函数不是个好选择,推荐 MurmurHash、Fnv 这些。

 

 

大Value拆分

   Redis 因其支持 setbit 和 getbit 操作,且纯内存性能高等特点,因此天然就可以作为布隆过滤器来使用。但是布隆过滤器的不当使用极易产生大 Value,增加 Redis 阻塞风险,因此生成环境中建议对体积庞大的布隆过滤器进行拆分。

   拆分的形式方法多种多样,但是本质是不要将 Hash(Key) 之后的请求分散在多个节点的多个小 bitmap 上,而是应该拆分成多个小 bitmap 之后,对一个 Key 的所有哈希函数都落在这一个小 bitmap 上。



 

这篇关于大数据_HBase_HBase 中的 bloom-filter的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/955978

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