布隆过滤器的方式解决缓存穿透问题

1、原理

布隆过滤器的巨大用处就是，能够迅速判断一个元素是否在一个集合中。因此他有如下三个使用场景:

1. 网页爬虫对URL的去重，避免爬取相同的URL地址

2. 反垃圾邮件，从数十亿个垃圾邮件列表中判断某邮箱是否垃圾邮箱（同理，垃圾短信）

3. 缓存穿透，将所有可能存在的数据缓存放到布隆过滤器中，当黑客访问不存在的缓存时迅速返回避免缓存及DB挂掉。

OK，接下来我们来谈谈布隆过滤器的原理

其内部维护一个全为0的bit数组，需要说明的是，布隆过滤器有一个误判率的概念，误判率越低，则数组越长，所占空间越大。误判率越高则数组越小，所占的空间越小。

假设，根据误判率，我们生成一个10位的bit数组，以及2个hash函数（(f_1,f_2)），如下图所示(生成的数组的位数和hash函数的数量，我们不用去关心是如何生成的，有数学论文进行过专业的证明)。

假设输入集合为((N_1,N_2)),经过计算(f_1(N_1))得到的数值得为2，(f_2(N_1))得到的数值为5，则将数组下标为2和下表为5的位置置为1，如下图所示

同理，经过计算(f_1(N_2))得到的数值得为3，(f_2(N_2))得到的数值为6，则将数组下标为3和下表为6的位置置为1，如下图所示

 

这个时候，我们有第三个数(N_3)，我们判断(N_3)在不在集合((N_1,N_2))中，就进行(f_1(N_3)，f_2(N_3))的计算

1. 若值恰巧都位于上图的红色位置中，我们则认为，(N_3)在集合((N_1,N_2))中

2. 若值有一个不位于上图的红色位置中，我们则认为，(N_3)不在集合((N_1,N_2))中

以上就是布隆过滤器的计算原理，下面我们进行性能测试，

 

2、性能测试

代码如下:
(1)新建一个maven工程，引入guava包

<dependencies>
    <dependency>
        <groupId>com.google.guava</groupId>     
        <artifactId>guava</artifactId>      
        <version>22.0</version>
    </dependency>
</dependencies>

(2)测试一个元素是否属于一个百万元素集合所需耗时

import java.util.ArrayList;import java.util.List; 
import com.google.common.hash.BloomFilter;
import com.google.common.hash.Funnels; 

public class Test {
    
    private static int size = 1000000;
    
        private static BloomFilter<Integer> bloomFilter =BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size);
            public static void main(String[] args) {        
            for (int i = 0; i < size; i++) {            
            bloomFilter.put(i);        
        }        
        
        List<Integer> list = new ArrayList<Integer>(1000);
        //故意取10000个不在过滤器里的值，看看有多少个会被认为在过滤器里
        for (int i = size + 10000; i < size + 20000; i++) {
            if (bloomFilter.mightContain(i)) {
                list.add(i);
            }
        }
        System.out.println("误判的数量：" + list.size());
    }
}

输出结果如下
误判对数量：330

如果上述代码所示，我们故意取10000个不在过滤器里的值，却还有330个被认为在过滤器里，这说明了误判率为0.03.即，在不做任何设置的情况下，默认的误判率为0.03。
下面上源码来证明：

                      

接下来我们来看一下，误判率为0.03时，底层维护的bit数组的长度如下图所示

                     

                      

将bloomfilter的构造方法改为
private static BloomFilter<Integer> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.integerFunnel(), size,0.01);

即，此时误判率为0.01。在这种情况下，底层维护的bit数组的长度如下图所示

                      

由此可见，误判率越低，则底层维护的数组越长，占用空间越大。因此，误判率实际取值，根据服务器所能够承受的负载来决定，不是拍脑袋瞎想的。

3、实际使用
redis伪代码如下所示

String get(String key) {
    String value = redis.get(key);     
    if (value  == null) {
        if(!bloomfilter.mightContain(key)){
            return null; 
        }else{
            value = db.get(key); 
            redis.set(key, value); 
        }    
    }
    return value；
}

优点

1. 思路简单
2. 保证一致性
3. 性能强

缺点

1. 代码复杂度增大
2. 需要另外维护一个集合来存放缓存的Key
3. 布隆过滤器不支持删值操作