詳解SpringBoot中如何使用布隆過濾器
更新時間：2022年09月01日 08:37:38 作者：寧在春
這篇文章主要為大家詳細介紹了在SpringBoot中如何簡單在代碼中使用布隆過濾器，文中的示例代碼講解詳細，感興趣的小伙伴可以了解一下
昨天寫了一篇Redis布隆過濾器相關的命令的文章，今天來說一說springboot中如何簡單在代碼中使用布隆過濾器吧。
目前市面上也有好幾種實現(xiàn)方式，如果你需要高度定制化，可以完全從零實現(xiàn)，當然這不是一個簡單的工程。
如果只是想快速開始的話，那么市面上現(xiàn)成的實現(xiàn)，無疑是最快的。
前言
今天說到的實現(xiàn)方式有以下幾種：
- 引入 Guava 實現(xiàn)
- 引入 hutool 實現(xiàn)
- 引入 Redission 實現(xiàn)
- Guava 布隆過濾器結(jié)合 Redis （重點）
項目工程的搭建，就在這里先寫明啦~
boot項目就是四步走~ 導包->寫配置->編寫配置類->使用
補充說明：我使用的 redis 是用docker下載的一個集成redis和布隆過濾器的鏡像。安裝方式：Docker安裝Redis布隆過濾器
如果你是在windows上安裝的redis 是3.0版本的，是無法集成布隆過濾器。
如果是在liunx版本上的redis，需要再額外下載一個布隆過濾器的模塊。需要自行百度啦~
我將要用到的所有jar都放在這里啦~
<parent>
<artifactId>spring-boot-dependencies</artifactId>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<version>2.5.2</version>
</parent>
<dependencies>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.redisson/redisson-spring-boot-starter -->
<dependency>
<groupId>org.redisson</groupId>
<artifactId>redisson-spring-boot-starter</artifactId>
<version>3.17.6</version>
</dependency>
?
<dependency>
<groupId>com.google.guava</groupId>
<artifactId>guava</artifactId>
<version>30.0-jre</version>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-test</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>junit</groupId>
<artifactId>junit</artifactId>
<scope>test</scope>
</dependency>
<dependency>
<groupId>org.projectlombok</groupId>
<artifactId>lombok</artifactId>
</dependency>
<dependency>
<groupId>cn.hutool</groupId>
<artifactId>hutool-all</artifactId>
<version>5.7.22</version>
</dependency>
</dependencies>yml 配置文件：
server:
port: 8081
spring:
redis:
port: 6379
host: 192.xxx
一、Guava 實現(xiàn)布隆過濾器
這個方式非常快捷：
直接用一個Demo來說明吧
@Test
public void test2() {
// 預期插入數(shù)量
long capacity = 10000L;
// 錯誤比率
double errorRate = 0.01;
//創(chuàng)建BloomFilter對象，需要傳入Funnel對象，預估的元素個數(shù)，錯誤率
BloomFilter<Long> filter = BloomFilter.create(Funnels.longFunnel(), capacity, errorRate);
// BloomFilter<String> filter = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(Charset.forName("utf-8")), 10000, 0.0001);
//put值進去
for (long i = 0; i < capacity; i++) {
filter.put(i);
}
// 統(tǒng)計誤判次數(shù)
int count = 0;
// 我在數(shù)據(jù)范圍之外的數(shù)據(jù)，測試相同量的數(shù)據(jù)，判斷錯誤率是不是符合我們當時設定的錯誤率
for (long i = capacity; i < capacity * 2; i++) {
if (filter.mightContain(i)) {
count++;
}
}
System.out.println(count);
}當容量為1k，誤判率為 0.01時
2022-08-26 23:50:01.028 INFO 14748 --- [ main] com.nzc.test.RedisBloomFilterTest : 存入元素為==1000
誤判個數(shù)為==>10
當容量為1w，誤判率為 0.01時
2022-08-26 23:49:23.618 INFO 21796 --- [ main] com.nzc.test.RedisBloomFilterTest : 存入元素為==10000
誤判個數(shù)為==>87
當容量為100w，誤判率為 0.01時
2022-08-26 23:50:45.167 INFO 8964 --- [ main] com.nzc.test.RedisBloomFilterTest : 存入元素為==1000000
誤判個數(shù)為==>9946
BloomFilter<Long> filter = BloomFilter.create(Funnels.longFunnel(), capacity, errorRate);
create方法實際上調(diào)用的方法是：
public static <T> BloomFilter<T> create(
Funnel<? super T> funnel, int expectedInsertions, double fpp) {
return create(funnel, (long) expectedInsertions, fpp);
}- funnel 用來對參數(shù)做轉(zhuǎn)化,方便生成hash值
- expectedInsertions 預期插入的數(shù)據(jù)量大小
- fpp 誤判率
里面具體的實現(xiàn)，相對我來說，數(shù)學能力有限，沒法說清楚。希望大家多多包含。
二、Hutool 布隆過濾器
Hutool 工具中的布隆過濾器，內(nèi)存占用太高了，并且功能相比于guava也弱了很多，個人不建議使用。
@Test
public void test4(){
int capacity = 100;
// 錯誤比率
double errorRate = 0.01;
// 初始化
BitMapBloomFilter filter = new BitMapBloomFilter(capacity);
for (int i = 0; i < capacity; i++) {
filter.add(String.valueOf(i));
}
?
log.info("存入元素為=={}",capacity);
// 統(tǒng)計誤判次數(shù)
int count = 0;
// 我在數(shù)據(jù)范圍之外的數(shù)據(jù)，測試相同量的數(shù)據(jù)，判斷錯誤率是不是符合我們當時設定的錯誤率
for (int i = capacity; i < capacity * 2; i++) {
if (filter.contains(String.valueOf(i))) {
count++;
}
}
log.info("誤判元素為==={}",count);
}三、Redission 布隆過濾器
redission的使用其實也很簡單，官方也有非常好的教程。
引入jar，然后編寫一個config類即可
<dependency>
<groupId>org.springframework.boot</groupId>
<artifactId>spring-boot-starter-data-redis</artifactId>
</dependency>
<!-- https://mvnrepository.com/artifact/org.redisson/redisson-spring-boot-starter -->
<dependency>
<groupId>org.redisson</groupId>
<artifactId>redisson-spring-boot-starter</artifactId>
<version>3.17.6</version>
</dependency>出了注入 redissionclient，還注入了一些redis相關的東西，都是歷史包裹~
/**
* @description:
* @author: Yihui Wang
* @date: 2022年08月26日 22:06
*/
@Configuration
@EnableCaching
public class RedisConfig {
?
@Bean
public RedissonClient redissonClient(){
Config config = new Config();
config.useSingleServer().setAddress("redis://47.113.227.254:6379");
RedissonClient redissonClient = Redisson.create(config);
return redissonClient;
}
?
@Bean
public CacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
RedisCacheManager rcm=RedisCacheManager.create(connectionFactory);
return rcm;
}
@Bean
public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory factory) {
RedisTemplate<String, Object> redisTemplate = new RedisTemplate<String, Object>();
redisTemplate.setConnectionFactory(factory);
Jackson2JsonRedisSerializer jackson2JsonRedisSerializer = new
Jackson2JsonRedisSerializer(Object.class);
ObjectMapper om = new ObjectMapper();
om.setVisibility(PropertyAccessor.ALL, JsonAutoDetect.Visibility.ANY);
om.enableDefaultTyping(ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL);
jackson2JsonRedisSerializer.setObjectMapper(om);
//序列化設置 ，這樣計算是正常顯示的數(shù)據(jù)，也能正常存儲和獲取
redisTemplate.setKeySerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
redisTemplate.setValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
redisTemplate.setHashKeySerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
redisTemplate.setHashValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
return redisTemplate;
}
@Bean
public StringRedisTemplate stringRedisTemplate(RedisConnectionFactory factory) {
StringRedisTemplate stringRedisTemplate = new StringRedisTemplate();
stringRedisTemplate.setConnectionFactory(factory);
return stringRedisTemplate;
}
}我們在中間再編寫一個Service，
@Service
public class BloomFilterService {
?
@Autowired
private RedissonClient redissonClient;
?
/**
* 創(chuàng)建布隆過濾器
* @param filterName 布隆過濾器名稱
* @param capacity 預測插入數(shù)量
* @param errorRate 誤判率
* @param <T>
* @return
*/
public <T> RBloomFilter<T> create(String filterName, long capacity, double errorRate) {
RBloomFilter<T> bloomFilter = redissonClient.getBloomFilter(filterName);
bloomFilter.tryInit(capacity, errorRate);
return bloomFilter;
}
}測試：
package com.nzc.test;
?
import com.nzc.WebApplication;
import com.nzc.service.BloomFilterService;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.Test;
import org.junit.runner.RunWith;
import org.redisson.api.RBloomFilter;
import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.test.context.junit4.SpringRunner;
?
@Slf4j
@RunWith(SpringRunner.class)
@SpringBootTest(classes = WebApplication.class)
public class BloomFilterTest {
?
@Autowired
private BloomFilterService bloomFilterService;
?
@Test
public void testBloomFilter() {
// 預期插入數(shù)量
long expectedInsertions = 1000L;
// 錯誤比率
double falseProbability = 0.01;
RBloomFilter<Long> bloomFilter = bloomFilterService.create("NZC:BOOM-FILTER", expectedInsertions, falseProbability);
// 布隆過濾器增加元素
for (long i = 0; i < expectedInsertions; i++) {
bloomFilter.add(i);
}
long elementCount = bloomFilter.count();
log.info("布隆過濾器中含有元素個數(shù) = {}.", elementCount);
?
// 統(tǒng)計誤判次數(shù)
int count = 0;
// 我在數(shù)據(jù)范圍之外的數(shù)據(jù)，測試相同量的數(shù)據(jù)，判斷錯誤率是不是符合我們當時設定的錯誤率
for (long i = expectedInsertions; i < expectedInsertions * 2; i++) {
if (bloomFilter.contains(i)) {
count++;
}
}
log.info("誤判次數(shù) = {}.", count);
?
// 清空布隆過濾器 內(nèi)部實現(xiàn)是個異步線程在執(zhí)行 我只是為了方便測試
bloomFilter.delete();
}
}當容量為1k，誤判率為0.01時的輸出情況
2022-08-26 23:37:04.903 INFO 1472 --- [ main] com.nzc.test.BloomFilterTest : 布隆過濾器中含有元素個數(shù) = 993.
2022-08-26 23:37:38.549 INFO 1472 --- [ main] com.nzc.test.BloomFilterTest : 誤判次數(shù) = 36.
當容量為1w，誤判率為0.01時的輸出情況
2022-08-26 23:50:54.478 INFO 17088 --- [ main] com.nzc.test.BloomFilterTest : 布隆過濾器中含有元素個數(shù) = 9895.
2022-08-26 23:56:56.171 INFO 17088 --- [ main] com.nzc.test.BloomFilterTest : 誤判次數(shù) = 259.
四、小結(jié)
我實際測試的時候，Guava 的效果應該是最好的，Redission 雖然是直接集成了Redis，但實際效果比起Guava較差一些，我這里沒有貼上時間，Redission所創(chuàng)建出來的布隆過濾器，速度較慢。
當然我的測試范圍是有限的，并且只是循環(huán)測試，另外服務器也并非在本地，這都有影響。
但是僅目前看來是這樣的。
還有就是將 Guava 結(jié)合 Redis 一起使用。
五、Guava 布隆過濾器結(jié)合 Redis 使用
僅限于測試，一切效果還是需看實測。
我是以 Guava 中創(chuàng)建 布隆過濾器為基礎，利用它構(gòu)造的方法，來進行修改，功能相比于 guava 還是少了很多的。
package com.nzc.boom;
import com.google.common.annotations.VisibleForTesting;
import com.google.common.base.Preconditions;
import com.google.common.hash.Funnel;
import com.google.common.hash.Hashing;
import com.google.common.primitives.Longs;
?
public class BloomFilterHelper<T> {
private int numHashFunctions;
private int bitSize;
private Funnel<T> funnel;
public BloomFilterHelper(Funnel<T> funnel, int expectedInsertions, double fpp) {
Preconditions.checkArgument(funnel != null, "funnel不能為空");
this.funnel = funnel;
// 計算bit數(shù)組長度
bitSize = optimalNumOfBits(expectedInsertions, fpp);
// 計算hash方法執(zhí)行次數(shù)
numHashFunctions = optimalNumOfHashFunctions(expectedInsertions, bitSize);
}
?
?
/** 源碼
*public <T> boolean mightContain(
* T object, Funnel<? super T> funnel, int numHashFunctions, LockFreeBitArray bits) {
* long bitSize = bits.bitSize();
* byte[] bytes = Hashing.murmur3_128().hashObject(object, funnel).getBytesInternal();
* long hash1 = lowerEight(bytes);
* long hash2 = upperEight(bytes);
*
* long combinedHash = hash1;
* for (int i = 0; i < numHashFunctions; i++) {
* // Make the combined hash positive and indexable
* if (!bits.get((combinedHash & Long.MAX_VALUE) % bitSize)) {
* return false;
* }
* combinedHash += hash2;
* }
* return true;
* }
* @param value
* @return
*/
public long[] murmurHashOffset(T value) {
long[] offset = new long[numHashFunctions];
byte[] bytes = Hashing.murmur3_128().hashObject(value, funnel).asBytes();
long hash1 = lowerEight(bytes);
long hash2 = upperEight(bytes);
long combinedHash = hash1;
for (int i = 1; i <= numHashFunctions; i++) {
long nextHash = hash1 + i * hash2;
if (nextHash < 0) {
nextHash = ~nextHash;
}
offset[i - 1] = nextHash % bitSize;
}
return offset;
?
?
}
private /* static */ long lowerEight(byte[] bytes) {
return Longs.fromBytes(
bytes[7], bytes[6], bytes[5], bytes[4], bytes[3], bytes[2], bytes[1], bytes[0]);
}
?
private /* static */ long upperEight(byte[] bytes) {
return Longs.fromBytes(
bytes[15], bytes[14], bytes[13], bytes[12], bytes[11], bytes[10], bytes[9], bytes[8]);
}
/**
* 計算bit數(shù)組長度
* 同樣是guava創(chuàng)建布隆過濾器中的計算bit數(shù)組長度方法
*/
private int optimalNumOfBits(long n, double p) {
if (p == 0) {
// 設定最小期望長度
p = Double.MIN_VALUE;
}
return (int) (-n * Math.log(p) / (Math.log(2) * Math.log(2)));
}
/**
* 這里是從guava 中 copy 出來的
* 就是guava 創(chuàng)建一個 布隆過濾器時，
* 計算hash方法執(zhí)行次數(shù)的方法
*/
private int optimalNumOfHashFunctions(long n, long m) {
int countOfHash = Math.max(1, (int) Math.round((double) m / n * Math.log(2)));
return countOfHash;
}
?
}以上的這些代碼，在guava包都可以找到的。
在redisConfig中注入布隆過濾器
?
/**
* @description:
* @author: Yihui Wang
* @date: 2022年08月26日 22:06
*/
@Configuration
@EnableCaching
public class RedisConfig {
?
@Bean
public CacheManager cacheManager(RedisConnectionFactory connectionFactory) {
RedisCacheManager rcm=RedisCacheManager.create(connectionFactory);
return rcm;
}
@Bean
public RedisTemplate<String, Object> redisTemplate(RedisConnectionFactory factory) {
RedisTemplate<String, Object> redisTemplate = new RedisTemplate<String, Object>();
redisTemplate.setConnectionFactory(factory);
Jackson2JsonRedisSerializer jackson2JsonRedisSerializer = new
Jackson2JsonRedisSerializer(Object.class);
ObjectMapper om = new ObjectMapper();
om.setVisibility(PropertyAccessor.ALL, JsonAutoDetect.Visibility.ANY);
om.enableDefaultTyping(ObjectMapper.DefaultTyping.NON_FINAL);
jackson2JsonRedisSerializer.setObjectMapper(om);
//序列化設置 ，這樣計算是正常顯示的數(shù)據(jù)，也能正常存儲和獲取
redisTemplate.setKeySerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
redisTemplate.setValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
redisTemplate.setHashKeySerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
redisTemplate.setHashValueSerializer(jackson2JsonRedisSerializer);
return redisTemplate;
}
@Bean
public StringRedisTemplate stringRedisTemplate(RedisConnectionFactory factory) {
StringRedisTemplate stringRedisTemplate = new StringRedisTemplate();
stringRedisTemplate.setConnectionFactory(factory);
return stringRedisTemplate;
}
//初始化布隆過濾器，放入到spring容器里面
@Bean
public BloomFilterHelper<String> initBloomFilterHelper() {
return new BloomFilterHelper<String>((Funnel<String>) (from, into) -> into.putString(from, Charsets.UTF_8).putString(from, Charsets.UTF_8), 1000, 0.01);
}
?
@Bean
public BloomFilterHelper<Long> initLongBloomFilterHelper() {
return new BloomFilterHelper<Long>((Funnel<Long>) (from, into) -> into.putLong(from),1000, 0.01);
}
?
?
}也就是注入我們剛剛編寫的那個布隆過濾器。
然后再編寫一個Service 層
?
/**
* @description:
* @author: Yihui Wang
*/
@Slf4j
@Service
public class RedisBloomFilter {
?
@Autowired
private RedisTemplate redisTemplate;
?
/**
* 根據(jù)給定的布隆過濾器添加值
*/
public <T> void addByBloomFilter(BloomFilterHelper<T> bloomFilterHelper, String key, T value) {
Preconditions.checkArgument(bloomFilterHelper != null, "bloomFilterHelper不能為空");
long[] offset = bloomFilterHelper.murmurHashOffset(value);
for (long i : offset) {
log.info("key :{} ，value : {}", key, i);
redisTemplate.opsForValue().setBit(key, i, true);
}
}
?
/**
* 根據(jù)給定的布隆過濾器判斷值是否存在
*/
public <T> boolean includeByBloomFilter(BloomFilterHelper<T> bloomFilterHelper, String key, T value) {
Preconditions.checkArgument(bloomFilterHelper != null, "bloomFilterHelper不能為空");
long[] offset = bloomFilterHelper.murmurHashOffset(value);
for (long i : offset) {
log.info("key :{} ，value : {}", key, i);
if (!redisTemplate.opsForValue().getBit(key, i)) {
return false;
}
}
return true;
}
}測試：
@Test
public void test1() {
// 預期插入數(shù)量
long capacity = 1000L;
// 錯誤比率
double errorRate = 0.01;
for (long i = 0; i < capacity; i++) {
redisBloomFilter.addByBloomFilter(bloomFilterHelper, "nzc:bloomFilter1", i);
}
log.info("存入元素為=={}", capacity);
// 統(tǒng)計誤判次數(shù)
int count = 0;
// 我在數(shù)據(jù)范圍之外的數(shù)據(jù)，測試相同量的數(shù)據(jù)，判斷錯誤率是不是符合我們當時設定的錯誤率
for (long i = capacity; i < capacity * 2; i++) {
if (redisBloomFilter.includeByBloomFilter(bloomFilterHelper, "nzc:bloomFilter1", i)) {
count++;
}
}
System.out.println("誤判個數(shù)為==>" + count);
}輸出：
存入元素為==1000
誤判個數(shù)為==>12
到此這篇關于詳解SpringBoot中如何使用布隆過濾器的文章就介紹到這了,更多相關SpringBoot布隆過濾器內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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