布隆过滤器是一种能够在大量数据中判断数据是否存在的算法。它实际上是一个很长的二进制向量和一系列随机映射函数。布隆过滤器可以用于检索一个元素是否在一个集合中。它的优点是空间效率和查询时间都远远超过一般的算法，缺点是有一定的误识别率和删除困难。在介绍‘布隆过滤器’之前，先介绍一下‘位图’的思想：
这里有这样一个问题：给40亿个没有排序、不重复的无符号整数，如何快速的判断一个数据是否在这40亿个数据之中？
--对于40亿个数据，如果我们将这40亿个数据都放入内存中，我们需要多大的存储空间呢？假设每个数据都是char类型的，这样消耗多少的空间？如果是int类型呢？或者是更多的数据呢？不难知道对于大量的数据，如果采用将数据放入内存中，这种方式是很不理智的。这里介绍一种方法—‘位图’。
位图：主要算法思想就是充分的利用bit位，假设数据都是int类型，每个int类型都占32个bit位。将一个int类型数据的32个bit用来表示32个数据是否存在， 0表示不存在，1表示存在（能够极大地缩小空间）。先计算出数据在哪一个int类型的空间中，然后计算在这个int类型的第几个bit位上，然后将此位置更改为1，表明这个位置上存在数据。
下面是‘位图’的实现：
class BitMap
{
public:
BitMap(size_t size = 0) //构造
:_size(0)
{
_a.resize((size >> 5) + 1); //resize开辟空间（int类型的个数），并进行初始化
}
void set(size_t x) //插入数据
{
size_t index = x >> 5; //index表示的是数据存在哪一个int类型的位置上
size_t num = x % 32; //num表示数据存在32bit的具体位置
if (!(_a[index] & (1 << num))) //1<<num表示数据x的位置下标，&结果为0，表示此位置上没有数据
{
++_size;
_a[index] |= (1 << num); //利用按位或关系将位置更改为1，表示此位置上现在存在数据
}
}
void Reset(size_t x) //删除数据
{
size_t index = x >> 5;
size_t num = index % 32;
_a[index] &= (~(1 << num));
--_size;
}
bool Test(size_t x) //判断数据是否在40亿数据中
{
size_t index = x >> 5;
size_t num = x % 32;
if (_a[index] & (1 << num))
return true;
return false;
}
size_t size() //求数据的有效个数
{
return _size;
}
void Resize(size_t size) //开辟空间
{
_a.resize((size >> 5) + 1);
}
protected:
vector<size_t> _a;
size_t _size;
};
‘布隆过滤器’也是利用位图的思想，它有一个m个比特个数的空间，每一个bit位都初始化为0，通过k种不同的hash函数，每个函数都确定出元素所在的不同位置，将这k个位置的bit位置为1，则将这个元素添加到m个bit的空间中。当需要对数据进行查找时，将k中hash函数得到的k个位置的bit位进行检查，若k个位置都为1，则数据存在，否则数据不存在。布隆过滤器是不允许进行删除数据的，因为那样会将k个位置置为0，可能会影响其他数据的存在性，从而存在错误。
下面是‘布隆过滤器’的实现：
//实现布隆过滤器
template <class K>
//使用搜索到的5种Hash函数
struct _HashFunc1
{
size_t DJBHash(const char *str)
{
if (!*str)
return 0;
register size_t hash = 5381;
while (size_t ch = (size_t)*str++)
{
hash += (hash << 5) + ch;
}
return hash;
}
size_t operator()(const K& str)
{
return DJBHash(str.c_str());
}
};
template <class K>
struct _HashFunc2
{
size_t SDBMHash(const char *str)
{
register size_t hash = 0;
while (size_t ch = (size_t)*str++)
{
hash = 65599 * hash + ch;
}
return hash;
}
size_t operator()(const K& str)
{
return SDBMHash(str.c_str());
}
};
template <class K>
struct _HashFunc3
{
size_t RSHash(const char *str)
{
register size_t hash = 0;
size_t magic = 63689;
while (size_t ch = (size_t)*str++)
{
hash = hash * magic + ch;
magic *= 378551;
}
return hash;
}
size_t operator()(const K& str)
{
return RSHash(str.c_str());
}
};
template <class K>
struct _HashFunc4
{
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;
}
size_t operator()(const K& str)
{
return APHash(str.c_str());
}
};
template <class K>
struct _HashFunc5
{
size_t JSHash(const char *str)
{
if (!*str)
return 0;
register size_t hash = 1315423911;
while (size_t ch = (size_t)*str++)
{
hash ^= ((hash << 5) + ch + (hash >> 2));
}
return hash;
}
size_t operator()(const K& str)
{
return JSHash(str.c_str());
}
};
size_t GetPrimeSize(size_t size) //求大于等于size的最小素数
{
static const int _prime = 28;
static const unsigned long _PrimeList[_prime] =
{
53ul, 97ul, 193ul, 389ul, 769ul,
1543ul, 3079ul, 6151ul, 12289ul, 24593ul,
49157ul, 98317ul, 196613ul, 393241ul, 786433ul,
1572869ul, 3145739ul, 6291469ul, 12582917ul, 25165843ul,
50331653ul, 100663319ul, 201326611ul, 402653189ul, 805306457ul,
1610612741ul, 3221225473ul, 4294967291ul
};
for (size_t i = 0; i < _prime; i++)
{
if (_PrimeList[i] >= size)
{
return _PrimeList[i];
}
}
return _PrimeList[_prime - 1];
}
template <class K = string,
class HashFunc1 = _HashFunc1<K>,
class HashFunc2 = _HashFunc2<K>,
class HashFunc3 = _HashFunc3<K>,
class HashFunc4 = _HashFunc4<K>,
class HashFunc5 = _HashFunc5<K>>
class BloomFilter
{
public:
BloomFilter(size_t size = 0) //构造
{
_capacity = GetPrimeSize(size);
_bm.Resize(_capacity);
}
void set(const K& key)
{
size_t index1 = HashFunc1()(key);
size_t index2 = HashFunc2()(key);
size_t index3 = HashFunc3()(key);
size_t index4 = HashFunc4()(key);
size_t index5 = HashFunc5()(key);
_bm.set((index1) % _capacity);
_bm.set((index2) % _capacity);
_bm.set((index3) % _capacity);
_bm.set((index4) % _capacity);
_bm.set((index5) % _capacity);
}
bool Test(const K& key) //测试数据是否存在
{
size_t index1 = HashFunc1()(key);
if (!_bm.Test((index1) % _capacity))
{
return false;
}
size_t index2 = HashFunc2()(key);
if (!_bm.Test((index2) % _capacity))
{
return false;
}
size_t index3 = HashFunc3()(key);
if (!_bm.Test((index3) % _capacity))
{
return false;
}
size_t index4 = HashFunc4()(key);
if (!_bm.Test((index4) % _capacity))
{
return false;
}
size_t index5 = HashFunc5()(key);
if (!_bm.Test((index5) % _capacity))
{
return false;
}
return true;
}
protected:
BitMap _bm;
size_t _capacity;
};
时间： 2024-12-05 14:39:08