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C++ 數據結構之布隆過濾器

編輯：關於C++

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C++ 數據結構之布隆過濾器

投稿：lqh

這篇文章主要介紹了C++ 數據結構之布隆過濾器的相關資料,需要的朋友可以參考下

布隆過濾器

一、歷史背景知識

布隆過濾器（Bloom Filter）是1970年由布隆提出的。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。布隆過濾器可以用於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超過一般的算法，缺點是有一定的誤識別率和刪除錯誤。而這個缺點是不可避免的。但是絕對不會出現識別錯誤的情況出現（即假反例False negatives,如果某個元素確實沒有在該集合中，那麼Bloom Filter 是不會報告該元素存在集合中的，所以不會漏報）

在 FBI，一個嫌疑人的名字是否已經在嫌疑名單上；在網絡爬蟲裡，一個網址是否被訪問過等等。最直接的方法就是將集合中全部的元素存在計算機中，遇到一個新元素時，將它和集合中的元素直接比較即可。一般來講，計算機中的集合是用哈希表（hash table）來存儲的。它的好處是快速准確，缺點是費存儲空間。當集合比較小時，這個問題不顯著，但是當集合巨大時，哈希表存儲效率低的問題就顯現出來了。

比如說，一個象 Yahoo,Hotmail 和 Gmai 那樣的公眾電子郵件（email）提供商，總是需要過濾來自發送垃圾郵件的人（spamer）的垃圾郵件。一個辦法就是記錄下那些發垃圾郵件的 email 地址。由於那些發送者不停地在注冊新的地址，全世界少說也有幾十億個發垃圾郵件的地址，將他們都存起來則需要大量的網絡服務器。如果用哈希表，每存儲一億個 email 地址，就需要 1.6GB 的內存（用哈希表實現的具體辦法是將每一個 email 地址對應成一個八字節的信息指紋，然後將這些信息指紋存入哈希表，由於哈希表的存儲效率一般只有 50%，因此一個 email 地址需要占用十六個字節。一億個地址大約要 1.6GB，即十六億字節的內存）。因此存貯幾十億個郵件地址可能需要上百 GB 的內存。除非是超級計算機，一般服務器是無法存儲的［2］。

二、布隆過濾器原理以及優缺點

如果想判斷一個元素是不是在一個集合裡，一般想到的是將集合中所有元素保存起來，然後通過比較確定。鏈表、樹、散列表（哈希表，Hash table）等數據結構都是這種思想。但是隨著集合中元素的增加，我們需要的存儲空間越來越大。同時檢索速度也會越來越慢。

Bloom Filter 是一種空間效率很高的隨機數據結構，Bloom Filter 可以看做是對bit-map的擴展，它的原理是：

當一個元素被加入集合中時，通過K個hash函數將這個元素映射成一個位陣列（Bit array）中的K個點，將它們置成1. 檢索時，我們只需要看這些點是不是都是1就能（大約）知道集合中有沒有它：

如果這些點中有任何一個0，則被檢索元素一定不在；

如果都是1，則被檢索元素很可能在。

優點：

它的優點是空間效率和查詢時間都遠遠超過一般的算法，布隆過濾器存儲空間和插入\查詢時間都是O(K),另外，散列函數相互之間沒有關系，方便硬件並行實現，布隆過濾器不需要存儲元素本身，在某些對保密要求非常嚴格的場合有優勢。

缺點：

1、布隆過濾器的缺點和優點同樣明顯。誤算率是其中之一。隨著存入元素的增加，誤算率隨之增加。但是元素數量太少，則使用散列就可以了。

2、一般情況下不能從布隆過濾器中刪除元素，我們很容易想到把位數組變成整數數組，每插入一個元素相應的計數器加1，這樣刪除元素時將計數器減掉就可以了。然而要保證安全地刪除元素並非這麼簡單。首先我們必須保證刪除的元素的確存在布隆過濾器裡面，另外計數器回繞也會造成問題。

三、example

Google Chrome浏覽器使用Bloom filter識別惡意鏈接（能用較小的存儲空間表示較大的數據集合，簡單想就是把每一個URL都可以映射成bit）的多，並且誤判率在萬分之一以下。

C++實現

bit_set.h

#pragma once 
#include<iostream> 
using namespace std; 
#include<vector> 
 
class Bitset 
{ 
public: 
  Bitset(size_t value) 
  { 
    _a.resize((value >> 5) + 1, 0); 
  } 
  bool set(size_t num) 
  { 
    size_t index = num>>5; 
    size_t pos = num % 32; 
    if (_a[index] & (1 << (31 - pos))) 
    { 
      return false; 
    } 
    else 
    { 
      _a[index] |= (1 << (31 - pos)); 
      _size++; 
      return true; 
    } 
     
  } 
  bool Reset(size_t num) 
  { 
    size_t index = num >> 5; 
    size_t pos = num % 32; 
    if (Text(num)) 
    { 
      _a[index] &= ~(1 << (31 - pos)); 
      _size--; 
      return true; 
    } 
    else 
    { 
      return false; 
    } 
  } 
  bool Text(size_t num) 
  { 
    size_t index = num >> 5; 
    size_t pos = num % 32; 
    return _a[index] & (1 << (31-pos)); 
  } 
private: 
  vector<int> _a; 
  size_t _size; 
};

Hash.h

#pragma once 
template<class T> //各類哈希字符串轉換函數  
size_t BKDRHash(const char *str) 
{ 
  register size_t hash = 0; 
  while (size_t ch = (size_t)*str++) 
  { 
    hash = hash * 131 + ch; 
  } 
  return hash; 
} 
 
template<class T> 
size_t SDBMHash(const char *str) 
{ 
  register size_t hash = 0; 
  while (size_t ch = (size_t)*str++) 
  { 
    hash = 65599 * hash + ch; 
  } 
  return hash; 
} 
 
template<class T> 
size_t RSHash(const char * str) 
{ 
  size_t hash = 0; 
  size_t magic = 63689; 
  while (size_t ch = (size_t)*str++) 
  { 
    hash = hash * magic + ch; 
    magic *= 378551; 
  } 
  return hash; 
} 
 
 
template<class T> 
size_t APHash(const char *str) 
{ 
  register size_t hash = 0; 
  size_t ch; 
  for (long i = 0; ch = (size_t)*str++; i++) 
  { 
    if ((i & 1) == 0) 
    { 
      hash ^= ((hash << 7) ^ ch ^ (hash >> 3)); 
    } 
    else 
    { 
      hash ^= (~((hash << 11) ^ ch ^ (hash >> 5))); 
    } 
  } 
  return hash; 
} 
 
 
template<class T> 
size_t JSHash(const char* str) 
{ 
  if (!*str) 
  { 
    return 0; 
  } 
  size_t hash = 1315423911; 
  while (size_t ch = (size_t)*str++) 
  { 
    hash ^= ((hash << 5) + ch + (hash >> 2)); 
  } 
  return hash; 
}

Bloom_Filter.h

#pragma once 
 
#include"bite_set.h" 
#include"Hash.h" 
#include<string> 
 
template<class T> 
struct __HashFunk1 
{ 
  size_t operator()(const T& key) 
  { 
    return BKDRHash<T>(key.c_str()); 
  } 
}; 
 
template<class T> 
struct __HashFunk2 
{ 
  size_t operator()(const T& key) 
  { 
    return SDBMHash<T>(key.c_str()); 
  } 
};  
 
template<class T> 
struct __HashFunk3 
{ 
  size_t operator()(const T& key) 
  { 
    return RSHash<T>(key.c_str()); 
  } 
}; 
 
template<class T> 
struct __HashFunk4 
{ 
  size_t operator()(const T& key) 
  { 
    return APHash<T>(key.c_str()); 
  } 
}; 
 
template<class T> 
struct __HashFunk5 
{ 
  size_t operator()(const T& key) 
  { 
    return JSHash<T>(key.c_str()); 
  } 
}; 
 
 
template<class K = string, 
class HashFunk1 = __HashFunk1<K>, 
class HashFunk2 = __HashFunk2<K>, 
class HashFunk3 = __HashFunk3<K>, 
class HashFunk4 = __HashFunk4<K>, 
class HashFunk5 = __HashFunk5<K>> 
 
class BoolFilter 
{ 
public: 
  BoolFilter(size_t n) 
    :_a(n * 10) 
    , _range(n * 10) 
  {} 
 
  void set(const K& key) 
  { 
    _a.set(HashFunk1()(key) % _range); 
    _a.set(HashFunk2()(key) % _range); 
    _a.set(HashFunk3()(key) % _range); 
    _a.set(HashFunk4()(key) % _range); 
    _a.set(HashFunk5()(key) % _range); 
  } 
 
  bool Text(const K& key) 
  { 
    if (!_a.Text(HashFunk1()(key)% _range)) 
      return false; 
    if (!_a.Text(HashFunk2()(key) % _range)) 
      return false; 
    if (!_a.Text(HashFunk3()(key) % _range)) 
      return false; 
    if (!_a.Text(HashFunk4()(key) % _range)) 
      return false; 
    if (!_a.Text(HashFunk5()(key) % _range)) 
      return false; 
    return true; 
  } 
private: 
  Bitset _a; 
  size_t _range; 
};