如何避免快取穿透？以下這篇文章帶大家了解一下Redis中避免快取穿透的利器－布隆過濾器(Bloom Filter)，希望對大家有幫助！
布隆過濾器（Bloom Filter）是一個資料結構，由布隆（Burton Howard Bloom）於1970年提出的。它實際上是一個很長的二進制向量和一系列隨機映射函數。 【相關建議：Redis影片教學】
布隆過濾器可以用於高效的檢索一個元素是否在一個集合中。它的優點是空間效率和查詢時間都遠遠優於一般的演算法，缺點是有一定的誤識別率，而且難以刪除（一般不支持，需要額外的實現）。
誤識率指的是可以判斷元素肯定不在集合中，判斷元素可能在集合中，無法判斷元素一定在集合中。
布隆過濾器之所以高效，因為它是一個機率資料結構，它能確認元素肯定不在集合中，或者元素可能在集合中。之所以說是可能，是因為它有一定的誤辨識率，使得無法 100% 確定元素一定在集合中。
在日常工作中，有一個比較常見的需求，就是需要判斷一個元素是否在集合中。例如下列場景
遇到這種問題，通常直覺會告訴我們，應該使用集合這種資料結構來實現。例如，先將 IP 黑名單庫的所有 IP 全部儲存到一個集合中，然後再拿指定的 IP 到該集合中檢查是否存在，如果存在則說明該 IP 命中黑名單。
透過一段程式碼來模擬 IP 黑名單庫的儲存和檢查。
public class IPBlackList {
public static void main(String[] args) {
Set set = new HashSet<>();
set.add("192.168.1.1");
set.add("192.168.1.2");
set.add("192.168.1.4");
System.out.println(set.contains("192.168.1.1"));
System.out.println(set.contains("192.168.1.2"));
System.out.println(set.contains("192.168.1.3"));
System.out.println(set.contains("192.168.1.4"));
}
} 集合的內部，通常是使用散列表來實現。其優點是查詢非常高效，缺點是比較耗費儲存空間。
一般在資料量比較小的時候，我們會使用集合來進行儲存。以空間換時間，在佔用空間較小的情況下，同時又能提高查詢效率。
但是，當儲存的資料量比較大的時候，耗費大量空間將會成為問題。因為這些資料通常會儲存到進程記憶體中，以加快查詢效率。而機器的記憶體通常都是有限的，要盡可能有效率的使用。
另一方面，散列表在空間和效率上是需要做平衡的。儲存相同數量的元素，如果散列表容量越小，出現衝突的機率就越高，用於解決衝突的時間將會花費更多，從而影響效能。
而布隆過濾器（Bloom Filter）的產生，能夠很好的解決這個問題。一方面能夠以更少的記憶體來儲存數據，另一方面能夠實現非常高效的查詢效能。
首先，建立一個二進位向量，並將所有位元設為0
然後，選定K 個雜湊函數，用於對元素進行K 次雜湊，計算向量的位元下標。
當新增一個元素到集合時，透過K 個雜湊函數分別作用於元素，產生K 個值作為下標，並對向量的相應位元設定為1。
如果要檢查一個元素是否存在集合中，用同樣的雜湊方法，產生K 個下標，並檢查向量的對應位元是否全部是1。
如果全為 1，則該元素很可能在集合中；否則（只要有1個或以上的位元為0），該元素肯定不在集合中。
假設有一個布林過濾器，容量是15位，使用2個雜湊函數，如下所示。
|0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|14|15| |-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-| |0|||||||||||||||||||
新增一個字串a，2次哈希得到下標示為4 和10，將4 和10 對應的位元由0 標記為1。
|0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|14|15| |-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-| |||||1||||||1|||||||||
再加入一個字串b，2 個哈希得到下標為11，將11 對應的位元由0 標記為1。
|0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|14|15| |-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-| |||||1||||||1|1||||||||
####再增加一個字串 c，2 次雜湊得到下標為 11 和 12，對應的位元由 0 標記為 1。
|0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|14|15| |-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-| |||||1||||||1|1|1|||||||
最後加入一個字串sam，2次哈希得到下標為0 和7，對應的位元由0 標記為1。
|0|1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|14|15| |-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-|-| |1||||1|||1|||1|1|1|||||||
上面，我們加入了4 個字串，每個字串分別進行2 次哈希，對應的2個位元標記為1，最終被標記為1的共有6位而不是8位。
這說明，不同的元素，雜湊後得到的位置是可能出現重疊的。如果元素越多，出現重疊的機率會更高。如果有2個元素出現重疊的位置，我們是無法判斷任一元素一定在集合中的。
如果要檢查元素是否存在集合中，只需要以相同的方法，進行 2 次哈希，將得到的 2 個下標在布隆過濾器中的對應位元進行查找。如果對應的 2 位元不是全部為1，則該元素肯定不在集合中。如果對應的 2 位元全部為1，則表示該元素可能在集合中，也可能不存在。
例如，檢查字串 b 是否存在集合中，哈希得到的 2 個下標都為11。檢查發現，11對應的位為1。但是，這並不能說明 b 一定在集合中。這是因為，字串c 雜湊後的下標也包含11，有可能只是字串c在集合中，而b 卻不存在，這就是造成了誤識別，也稱為假陽性。
再檢查字串 foo，雜湊得到的下標分別為 8 和 13，對應的位元都為0。因此，字串 foo 肯定不在集合中。
布隆過濾器背後的數學原理是
#兩個完全隨機的數字相衝突的機率很小，因此可以在很小的誤識別率條件下，用很少的空間儲存大量資訊。
誤辨識率（FPP，false positive probabilistic）的計算如下。
假設布隆過濾器大小為m 比特，儲存了n 個元素，使用k 次雜湊函數來計算元素的儲存位置。
1/m，任一位元為0 的機率為1-1/m;(1-1/m)^k，任一位元為1 的機率為1-(1-1/m)^k；(1-1 /m)^kn，任一位元為1 的機率為1-(1-1/m)^kn;n 個元素的布隆過濾器中，則任一位元已經為1 的機率與上方相同，機率為1-(1-1/m)^kn。因此，k 個位元都為1的機率為：(1-(1-1/m)^kn)^k，此即為新插入元素的誤辨識率。 當n 值比較大時，$(1-(1-1/m)^{kn})^k$ 約等於$ (1-e^{-kn/m})^k$
假定布隆過濾器大小m 為16 位元，k為8，儲存元素n 為1，那麼誤辨識（假陽性）的機率是萬分之五（5/10000）。
此時，m/n=16，事實上這表示 1個元素使用 16 個位元的空間來儲存。
因此，當 k 相同時，m/n 為 16/1、32/2、64/4 等值時具有相同的誤識別率。
網站Bloom Filters - the math 給出了布隆過濾器的誤識別率表，可以很方便的查處不同m，n，k 給定值下的誤辨識率。
解決誤識別率的常用方法包括
#白名單
回溯確認
解決誤識別率的常見方法，是建立一個較小的白名單，用來儲存那些可能被誤識別的數據。
以垃圾郵件過濾為例。假設我們有一個垃圾郵件庫，用於在接收郵件的時候過濾掉垃圾郵件。
這時可以先將這個垃圾郵件庫儲存到布隆過濾器中，當接收到郵件的時候，可以先透過布隆過濾器高效的過濾出大部分正常郵件。
而對於少部分命中（可能為）垃圾郵件的，其中有一部分可能為正常郵件。
再创建一个白名单库，当在布隆过滤器中判断可能为垃圾邮件时，通过查询白名单来确认是否为正常邮件。
对于没在白名单中的邮件，默认会被移动到垃圾箱。通过人工识别的方式，当发现垃圾箱中存在正常邮件的时候，将其移入白名单。
很多时候，使用布隆过滤器是为了低成本，高效率的拦截掉大量数据不在集合中的场景。例如
这是布隆过滤器非常典型的应用场景，先过滤掉大部分请求，然后只处理少量不明确的请求。
这个方法，和白名单库的区别是，不需要再另外建立一套库来处理，而是使用本来就已经存在的数据和逻辑。
例如 Google Bigtable 查询数据行本来就是需要查的，只不过使用布隆过滤器拦截掉了大部分不必要的请求。而 IP 是否为黑名单也是需要查询的，同样是先使用布隆过滤器来拦截掉大部分IP。
而上面垃圾邮件的处理，对于可能为垃圾邮件的情况，不是通过完整的垃圾邮件库再查询一次进行确认，而是用增加白名单来进行判断的方式。因为通常来说，白名单库会更小，便于缓存。
这里所说的回源，实际上是对可能被误识别的请求，最后要回到数据源头或逻辑确认一次。
Guava 中就提供了一种 Bloom Filter 的实现。
要使用 Bloom Filter，需要引入 guava 包
com.google.guava guava 23.0
下面对布隆容器的误判率进行测试，分2步
往过滤器中放一百万个数，然后去验证这一百万个数是否能通过过滤器
另外找一万个数，去检验漏网之鱼的数量
/**
* 测试布隆过滤器(可用于redis缓存穿透)
*
* @author 敖丙
*/
public class TestBloomFilter {
private static int total = 1000000;
private static BloomFilter bf = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), total);
// private static BloomFilter bf = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), total, 0.001);
public static void main(String[] args) {
// 初始化1000000条数据到过滤器中
for (int i = 0; i < total; i++) {
bf.put(i);
}
// 匹配已在过滤器中的值，是否有匹配不上的
for (int i = 0; i < total; i++) {
if (!bf.mightContain(i)) {
System.out.println("有坏人逃脱了~~~");
}
}
// 匹配不在过滤器中的10000个值，有多少匹配出来
int count = 0;
for (int i = total; i < total + 10000; i++) {
if (bf.mightContain(i)) {
count++;
}
}
System.out.println("误伤的数量：" + count);
}
} 运行结果
误伤的数量：320
运行结果表示，遍历这一百万个在过滤器中的数时，都被识别出来了。一万个不在过滤器中的数，误伤了320个，错误率是0.03左右。
public staticBloomFilter create(Funnel funnel, int expectedInsertions) { return create(funnel, (long) expectedInsertions); } public static BloomFilter create(Funnel funnel, long expectedInsertions) { return create(funnel, expectedInsertions, 0.03); // FYI, for 3%, we always get 5 hash functions } public static BloomFilter create( Funnel funnel, long expectedInsertions, double fpp) { return create(funnel, expectedInsertions, fpp, BloomFilterStrategies.MURMUR128_MITZ_64); } static BloomFilter create( Funnel funnel, long expectedInsertions, double fpp, Strategy strategy) { ...... }
Bloom Filter 一共四个 create 方法，不过最终都是走向第4个。看一下每个参数的含义
funnel：数据类型(一般是调用Funnels工具类中的)
expectedInsertions：期望插入的值的个数
fpp： 错误率(默认值为0.03)
strategy： 哈希算法 Bloom Filter的应用
更多编程相关知识，请访问：编程视频！！
以上是深入淺析Redis中的布隆過濾器（Bloom Filter）的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！
