`
lan_qie
  • 浏览: 12539 次
社区版块
存档分类
最新评论

Bloom Filter布隆过滤器概念和原理

 
阅读更多
Bloom Filter概念和原理

Bloom Filter是一种空间效率很高的随机数据结构,它利用位数组很简洁地表示一个集合,并能判断一个元素是否属于这个集合。Bloom Filter的这种高效是有一定代价的:在判断一个元素是否属于某个集合时,有可能会把不属于这个集合的元素误认为属于这个集合(false positive)。因此,Bloom Filter不适合那些“零错误”的应用场合。而在能容忍低错误率的应用场合下,Bloom Filter通过极少的错误换取了存储空间的极大节省。

一、集合表示和元素查询

 含义:利用bit数组简洁地表示一个集合,并能判断一个元素是否属于这个集合

 优点:时间和空间都很省

 缺点:有一定的错误

 应用:在判断元素是否属于一个很大的集合(相对静止),能容忍低错误率的场景中使用

原理:

假设有长度为12bit数组

初始有一个包含两个元素x1x2的集合,有3个相互独立的hash函数,对应x1x2hash值为: x1(1,4,8)x2(4,6,10)

我们将相应的bit位从0置为1

现有3个元素y1(0,1,4)y2(4,6,10)y3(1,6,8)从bit数组中我们可以判定y1一定不在集合中,y2y3在集合中对不在集合中的判断是正确的,对在集合中的判断有正确(y2)、有错误(把不在集合中的y3误判为在集合中)这里就有一个错误率

二、错误率估计

 前面我们已经提到了,Bloom Filter在判断一个元素是否属于它表示的集合时会有一定的错误率(false positive rate),下面我们就来估计错误率的大小。在估计之前为了简化模型,我们假设kn<m且各个哈希函数是完全随机的。当集合S={x1, x2,,xn}的所有元素都被k个哈希函数映射到m位的位数组中时,这个位数组中某一位还是0的概率是(过程1)

其中1/m表示任意一个哈希函数选中这一位的概率(前提是哈希函数是完全随机的),(1-1/m)表示哈希一次没有选中这一位的概率。要把S完全映射到位数组中,需要做kn次哈希。某一位还是0意味着kn次哈希都没有选中它,因此这个概率就是(1-1/m)的kn次方。令p = e-kn/m是为了简化运算,这里用到了计算e时常用的近似: ρ为位数组中0的比例,则ρ的数学期望E(ρ)= p’。在ρ已知的情况下,要求的错误率(false positive rate)为:

 (1-ρ)为位数组中1的比例,(1-ρ)k就表示k次哈希都刚好选中1的区域,即false positive rate。上式中第二步近似在前面已经提到了,现在来看第一步近似。p’只是ρ的数学期望,在实际中ρ的值有可能偏离它的数学期望值。M. Mitzenmacher已经证明[2] ,位数组中0的比例非常集中地分布在它的数学期望值的附近。因此,第一步的近似得以成立。分别将pp’代入上式中,得:




 

相比p’和f’,使用pf通常在分析中更为方便。

 

三、最优的哈希函数个数

既然Bloom Filter要靠多个哈希函数将集合映射到位数组中,那么应该选择几个哈希函数才能使元素查询时的错误率降到最低呢?这里有两个互斥的理由:如果哈希函数的个数多,那么在对一个不属于集合的元素进行查询时得到0的概率就大;但另一方面,如果哈希函数的个数少,那么位数组中的0就多。为了得到最优的哈希函数个数,我们需要根据上一小节中的错误率公式进行计算。

先用pf进行计算。注意到

根据对数恒等式

 

我们令,只要让g取到最小,f自然也取到最小。由于,我们可以将g写成(过程2)

则可以算出当p = 1/2(过程3),也就是时,g取得最小值。在这种情况下,最小错误率。另外,注意到p是位数组中某一位仍是0的概率,所以p = 1/2对应着位数组中01各一半。换句话说,要想保持错误率低,最好让位数组有一半还空着。

需要强调的一点是,p = 0.5时错误率最小这个结果并不依赖于近似值pf。同样对于,我们可以将g’写成

 同样根据过程3可以得到当p = 1/2时,g’取得最小值。

 

四、位数组的大小

 下面我们来看看,在不超过一定错误率的情况下,Bloom Filter至少需要多少位才能表示全集中任意n个元素的集合。假设全集中共有u个元素,允许的最大错误率为є,下面我们来求位数组的位数m

假设X为全集中任取n个元素的集合,F(X)是表示X的位数组。那么对于集合X中任意一个元素x,在s = F(X)中查询x都能得到肯定的结果,即s能够接受x。显然,由于Bloom Filter引入了错误,s能够接受的不仅仅是X中的元素,它还能够є (u - n)false positive。因此,对于一个确定的位数组来说,它能够接受总共n + є (u - n)个元素。在n + є (u - n)个元素中,s真正表示的只有其中n个,所以一个确定的位数组可以表示

个集合。m位的位数组共有个不同的组合,进而可以推出,m位的位数组可以表示

 个集合。全集中n个元素的集合总共有 个,因此要让m位的位数组能够表示所有n个元素的集合,必须有

n<<єu(过程4)

上式中的近似前提是nєu相比很小,这也是实际情况中常常发生的。根据上式,我们得出结论:在错误率不大于є的情况下,m至少要等于才能表示任意n个元素的集合。

上一小节中我们曾算出当时错误率f最小,这时。现在令fє,即

 

 

可以推出

这个结果比前面我们算得的下界n log2(1/є)大了log2 e 1.44倍。这说明在哈希函数的个数取到最优时,要让错误率不超过єm至少需要取到最小值的1.44倍。

即是说n个元素的集合至少需要大小的位数组才可以完全表示,要在在哈希函数个数取到最优,错误率不超过є,应有,此时
 

五、   总结

 

 

在计算机科学中,我们常常会碰到时间换空间或者空间换时间的情况,即为了达到某一个方面的最优而牺牲另一个方面。Bloom Filter在时间空间这两个因素之外又引入了另一个因素:错误率。在使用Bloom Filter判断一个元素是否属于某个集合时,会有一定的错误率。也就是说,有可能把不属于这个集合的元素误认为属于这个集合(False Positive),但不会把属于这个集合的元素误认为不属于这个集合(False Negative)。在增加了错误率这个因素之后,Bloom Filter通过允许少量的错误来节省大量的存储空间。

本文来自CSDN博客,转载请标明出处:http://blog.csdn.net/jiaomeng/archive/2007/01/27/1495500.aspx

 

六、   过程

 

1.        过程1

得:

 

2.        过程2

,则

 3.        过程3

,求g的最小值,

mn暂时看成常数,

,由

所以,又

所以当h取得最大值时,g取得最小值,

根据均值不等式:,即

 

h的最大值即为的最小值,

对该式求导

,因

固要,只有,由此可知当时,f取得最小值,h取得最大值,g取得最小值

4.        过程4

,则,即

根据Stirling公式,及

 

可以得出

 

 

 

所以

 

 

  • 大小: 6.3 KB
  • 大小: 6.9 KB
  • 大小: 1.8 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 1.3 KB
  • 大小: 2.3 KB
  • 大小: 1.4 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 4.6 KB
  • 大小: 5.2 KB
  • 大小: 1.3 KB
  • 大小: 830 Bytes
  • 大小: 1.4 KB
  • 大小: 1.4 KB
  • 大小: 3.6 KB
  • 大小: 1.5 KB
  • 大小: 1.8 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 2.5 KB
  • 大小: 771 Bytes
  • 大小: 960 Bytes
  • 大小: 1.1 KB
  • 大小: 1.4 KB
  • 大小: 524 Bytes
  • 大小: 1.1 KB
  • 大小: 1.1 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 2.6 KB
  • 大小: 8.1 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 1.1 KB
  • 大小: 1.9 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 3.7 KB
  • 大小: 830 Bytes
  • 大小: 1.4 KB
  • 大小: 1012 Bytes
  • 大小: 4.5 KB
  • 大小: 1.4 KB
  • 大小: 591 Bytes
  • 大小: 834 Bytes
  • 大小: 1.1 KB
  • 大小: 589 Bytes
  • 大小: 601 Bytes
  • 大小: 859 Bytes
  • 大小: 527 Bytes
  • 大小: 769 Bytes
  • 大小: 957 Bytes
  • 大小: 1.3 KB
  • 大小: 2.7 KB
  • 大小: 1.6 KB
  • 大小: 2.5 KB
  • 大小: 519 Bytes
  • 大小: 601 Bytes
  • 大小: 859 Bytes
  • 大小: 1001 Bytes
  • 大小: 519 Bytes
  • 大小: 770 Bytes
  • 大小: 582 Bytes
  • 大小: 1.1 KB
  • 大小: 1.2 KB
  • 大小: 1.5 KB
  • 大小: 1.7 KB
  • 大小: 1.4 KB
  • 大小: 1.1 KB
  • 大小: 21.1 KB
  • 大小: 3.7 KB
  • 大小: 15 KB
分享到:
评论

相关推荐

    bloom filter(C#版自制布隆过滤器)

    布隆过滤器是一种空间效率极高的概率型数据结构,用于判断一个元素是否可能在一个集合中。它是由 Burton Howard Bloom 在...WindowsFormsApplication1中的代码示例可以帮助开发者理解和实践布隆过滤器的原理和用法。

    bloom filter布隆过滤器学习资料大全

    这个压缩包文件“bloom filter布隆过滤器学习资料大全”显然是一个关于布隆过滤器的资源集合,包含了相关的论文和变种总结,对于学习和理解这一技术非常有帮助。 布隆过滤器的核心思想是通过多个哈希函数将元素映射...

    硬核 - Redis 布隆(Bloom Filter)过滤器原理与实战.doc

    Redis 布隆(Bloom Filter)过滤器原理与实战 Redis 布隆(Bloom Filter)过滤器是一种space efficient的概率型数据结构,用于判断一个元素是否在集合中。布隆过滤器的原理是,首先分配一块内存空间做bit数组,数组...

    【技术分享】Bloomfilter布隆过滤器.pptx

    布隆过滤器的基本原理是,当一个元素被添加到集合中时,通过多个哈希函数将其映射到二进制向量的多个位置,将这些位置设置为1。如果在查询时,所有映射位置都是1,那么元素可能存在,但如果至少有一个位置是0,则...

    布隆过滤器C源码-bloomfilter.rar

    例如,`bf_create(size_t capacity, uint8_t num_hashes)`用于创建一个布隆过滤器,`bf_insert(bloom_filter* filter, const void* item)`用于插入元素,`bf_query(bloom_filter* filter, const void* item)`用于...

    介绍Bloom Filter(布隆过滤器)原理、实现及具体应用

    布隆过滤器(Bloom Filter)是一种空间效率极高的概率型数据结构,用于判断一个元素是否可能在一个集合中。它可能会误判,但不会漏判,即可能存在假阳性(False Positive),但绝不会有假阴性(False Negative)。...

    布隆过滤器BloomFilters的一个简单Java库

    布隆过滤器(Bloom Filter)是一种空间效率极高的概率型数据结构,用于判断一个元素是否可能在一个集合中。在Java开发中,特别是在处理大数据、内存限制或需要快速查询是否存在某个元素的场景下,布隆过滤器是一个...

    布隆过滤器-BloomFilter

    布隆过滤器的基本原理是使用多个不同的哈希函数将元素映射到一个固定大小的位数组中。每个位置初始为0,当一个元素被添加时,对应的哈希值所对应的位被设置为1。如果要查询一个元素是否存在,就检查所有哈希函数对应...

    java实现的布隆过滤器算法

    在提供的压缩包文件`Bloom Filter`中,可能包含了具体的Java实现代码,你可以通过阅读和分析这些代码来深入理解布隆过滤器的工作原理和Java实现细节。此外,还可以通过测试不同参数组合下的性能,进一步了解布隆过滤...

    Go-一个简单的golang布隆过滤器

    1. **布隆过滤器原理**: 布隆过滤器基于多个哈希函数,将元素映射到一个固定大小的位数组中。当一个元素插入时,会通过多个不同的哈希函数将其映射到数组的不同位置,并将这些位置设为1。查询时,如果所有对应位置...

    Bloom_filter_(C).zip_bloom_bloom filter_c++布隆_布隆过滤器

    布隆过滤器(Bloom Filter)是一种空间效率极高的概率型数据结构,用于判断一个元素是否可能在一个集合中。在C++中实现布隆过滤器,可以有效地处理大量数据,尤其是在内存有限的情况下。这个压缩包文件"Bloom_filter...

    Go-布隆过滤器的一个Go实现参考bloomfilter.js

    布隆过滤器是一种空间效率极高的概率型数据结构,用于判断一个元素...通过分析`kevburnsjr-bloomfilter-dde4081`中的源代码,我们可以深入理解这种实现的内部工作原理,为自己的项目选择或设计合适的布隆过滤器实现。

    Java版本的BloomFilter (布隆过滤器)

    **布隆过滤器(Bloom Filter)**是一种空间效率极高的概率型数据结构,用于测试一个元素是否在一个集合中。由Burton Howard Bloom在1970年提出,主要用于节省存储空间,尤其在大数据场景下,它能有效地解决大规模...

    布隆过滤器python库

    在Python中,有多个库实现了布隆过滤器,其中一个就是我们这里提到的"python-bloomfilter-master"。 这个Python库提供了对布隆过滤器的简单接口,使得开发者可以方便地在项目中应用布隆过滤器。安装过程非常直观,...

    布隆过滤器(利用布隆过滤器实现文字的嵌入和查找功能)

    布隆过滤器,大家学过数据结构的应该都清楚,一般的字典树要实现嵌入和查找都内存的消耗非常大,布隆过滤器有BloomFilter,string, BKDRHash, APHash, DJBHash&gt; bf五个参数你要查找的元素个数,查找元素类型,三个...

    布隆过滤器之C++实现

    C++实现的布隆过滤器,其中使用到的bitset也是自己简单实现的一个BitContainer。可以处理千万条到亿条记录的存在性判断。做成dll可以在很多场合使用,如自己写爬虫,要判断一个url是否已经访问过,判断一个单词是否...

    Cuckoo过滤器:实际上比 Bloom 更好_Go语言_代码_相关文件_下载

    Cuckoo 过滤器是近似集合成员查询的布隆过滤器替代品。虽然 Bloom 过滤器是众所周知的节省空间的数据结构,可以服务于“如果项目 x 在一个集合中?”之类的查询,但它们不支持删除。它们启用删除的差异(如计算 ...

    9 Redis布隆过滤器插件安装.zip

    ### 布隆过滤器原理 布隆过滤器是一种概率型数据结构,由多个哈希函数和一个位数组组成。当添加元素时,每个元素会通过多个哈希函数映射到位数组的不同位置,并将这些位置设置为1。查询时,如果所有映射位置都是1,...

    安装布隆过滤器,布隆过滤器压缩包

    RedisBloom是一个扩展Redis功能的模块,提供了布隆过滤器的数据类型,使得在Redis中存储和查询数据时能够利用布隆过滤器的特性,有效避免不必要的数据库查询,减少误判率但接受一定的假阳性错误。版本2.2.4是这个库...

    布隆过滤器的实现,以及测试用例,简单易懂并做了一些注释

    ### 布隆过滤器原理 1. **基本结构**:布隆过滤器是一个很长的二进制数组和几个独立的哈希函数。数组初始全为0,哈希函数是随机且独立的。 2. **插入操作**:当插入一个元素时,会使用每个哈希函数计算出对应的...

Global site tag (gtag.js) - Google Analytics