布隆過濾器實戰【防止緩存擊穿】

為什么引入

我們的業務中經常會遇到穿庫的問題，通常可以通過緩存解決。 如果數據維度比較多，結果數據集合比較大時，緩存的效果就不明顯了。 因此為了解決穿庫的問題，我們引入Bloom Filter。

適合的場景

• 數據庫防止穿庫 Google Bigtable，Apache HBase和Apache Cassandra以及Postgresql 使用BloomFilter來減少不存在的行或列的磁盤查找。避免代價高昂的磁盤查找會大大提高數據庫查詢操作的性能。 如同一開始的業務場景。如果數據量較大，不方便放在緩存中。需要對請求做攔截防止穿庫。

• 緩存宕機 緩存宕機的場景，使用布隆過濾器會造成一定程度的誤判。原因是除了Bloom Filter 本身有誤判率，宕機之前的緩存不一定能覆蓋到所有DB中的數據，當宕機后用戶請求了一個以前從未請求的數據，這個時候就會產生誤判。當然，緩存宕機時使用布隆過濾器作為應急的方式，這種情況應該也是可以忍受的。

• WEB攔截器 相同請求攔截防止被攻擊。用戶第一次請求，將請求參數放入BloomFilter中，當第二次請求時，先判斷請求參數是否被BloomFilter命中。可以提高緩存命中率

• 惡意地址檢測 chrome 瀏覽器檢查是否是惡意地址。 首先針對本地BloomFilter檢查任何URL，并且僅當BloomFilter返回肯定結果時才對所執行的URL進行全面檢查（并且用戶警告，如果它也返回肯定結果）。

• 比特幣加速 bitcoin 使用BloomFilter來加速錢包同步。

開源項目地址：https://github.com/luw2007/bloomfilter

我們先看看一般業務緩存流程： 

先查詢緩存，緩存不命中再查詢數據庫。 然后將查詢結果放在緩存中即使數據不存在，也需要創建一個緩存，用來防止穿庫。這里需要區分一下數據是否存在。 如果數據不存在，緩存時間可以設置相對較短，防止因為主從同步等問題，導致問題被放大。

這個流程中存在薄弱的問題是，當用戶量太大時，我們會緩存大量數據空數據，并且一旦來一波冷用戶，會造成雪崩效應。 對于這種情況，我們產生第二個版本流程:redis過濾冷用戶緩存流程 

我們將數據庫里面中命中的用戶放在redis的set類型中，設置不過期。 這樣相當把redis當作數據庫的索引，只要查詢redis，就可以知道是否數據存在。 redis中不存在就可以直接返回結果。 如果存在就按照上面提到一般業務緩存流程處理。

聰明的你肯定會想到更多的問題：

1. redis本身可以做緩存，為什么不直接返回數據呢？

2. 如果數據量比較大，單個set，會有性能問題？

3. 業務不重要，將全量數據放在redis中，占用服務器大量內存。投入產出不成比例？

問題1需要區分業務場景，結果數據少，我們是可以直接使用redis作為緩存，直接返回數據。 結果比較大就不太適合用redis存放了。比如ugc內容，一個評論里面可能存在上萬字，業務字段多。

redis使用有很多技巧。bigkey 危害比較大，無論是擴容或縮容帶來的內存申請釋放， 還是查詢命令使用不當導致大量數據返回，都會影響redis的穩定。這里就不細談原因及危害了。 解決bigkey 方法很簡單。我們可以使用hash函數來分桶，將數據分散到多個key中。 減少單個key的大小，同時不影響查詢效率。

問題3是redis存儲占用內存太大。因此我們需要減少內存使用。 重新思考一下引入redis的目的。 redis像一個集合，整個業務就是驗證請求的參數是否在集合中。  這個結構就像洗澡的時候用的雙向閥門：左邊熱水，右邊冷水。

大部分的編程語言都內置了filter。 拿python舉例，filter函數用于過濾序列， 過濾掉不符合條件的元素，返回由符合條件元素組成的列表。

我們看個例子：

$ python2
Python 2.7.10 (default, Oct  6 2017, 22:29:07)
[GCC 4.2.1 Compatible Apple LLVM 9.0.0 (clang-900.0.31)] on darwin
Type "help", "copyright", "credits" or "license" for more information.
>>> s = {2, 4}
>>> filter(lambda x:x in s, [0, 1, 2])
[2]

集合s中存在 2，4兩個數字，我們需要查詢 0，1，2 那些在集合s中。 lambda x:x in s構造一個匿名函數，判斷入參x是否在集合s中。 過濾器filter依次對列表中的數字執行匿名函數。最終返回列表[2]。

redis中實現set用了兩種結構：intset和hash table。 非數字或者大量數字時都會退化成hash table。 那么是否好的算法可以節省hash table的大小呢？

其實早在1970年由Burton Howard Bloom提出的布隆過濾器（英語：Bloom Filter）。 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。 布隆過濾器可以用于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遠超過一般的算法， 缺點是有一定的誤識別率和刪除困難。

BloomFilter原理

我們常見的將業務字段拼接之后md5，放在一個集合中。 md5生成一個固定長度的128bit的串。 如果我們用bitmap來表示，則需要

2**128 = 340282366920938463463374607431768211456 bit

判斷一個值在不在，就變成在這個bitmap中判斷所在位是否為1。 但是我們全世界的機器存儲空間也無法存儲下載。 因此我們只能分配有限的空間來存儲。 比如:

 crc32

 (, , ):
    
       :crc32((x).encode())size
    collision, s  , ()
     i  (sample):
        k  ()
         j  (hash_size):
            k.add((ijsizehash_size))
        
          k  s:
            collision  
            
        
        s  k
     collision

當只有一個hash函數時：很容易發生沖突。 

可以看到上面1和2的hash結果都是7，發生沖突。 如果增加hash函數，會發生什么情況？

我們使用更多的hash函數和更大的數據集合來測試。得到下面這張表 

由此可以看到當增加hash方法能夠有效的降低碰撞機率。 比較好的數據如下： 

但是增加了hash方法之后，會降低空間的使用效率。當集合占用總體空間達到25%的時候， 增加hash 的效果已經不明顯

上面的使用多個hash方法來降低碰撞就是BloomFilter的核心思想。

算法優點：

• 數據空間小，不用存儲數據本身。

算法本身缺點：

• 元素可以添加到集合中，但不能被刪除。

• 匹配結果只能是“絕對不在集合中”，并不能保證匹配成功的值已經在集合中。

• 當集合快滿時，即接近預估最大容量時，誤報的概率會變大。

• 數據占用空間放大。一般來說，對于1％的誤報概率，每個元素少于10比特，與集合中的元素的大小或數量無關。  查詢過程變慢，hash函數增多，導致每次匹配過程，需要查找多個位（hash個數）來確認是否存在。

對于BloomFilter的優點來說，缺點都可以忽略。畢竟只需要kN的存儲空間就能存儲N個元素。空間效率十分優秀。

如何使用BloomFilter

BloomFilter 需要一個大的bitmap來存儲。鑒于目前公司現狀，最好的存儲容器是redis。 從github topics: bloom-filter中經過簡單的調研。

redis集成BloomFilter方案：

• 原生python 調用setbit 構造 BloomFilter

• lua腳本

• Rebloom - Bloom Filter Module for Redis (注：redis Module在redis4.0引入)

• 使用hiredis 調用redis pyreBloom

原生python 方法太慢，lua腳本和module 部署比較麻煩。于是我們推薦使用pyreBloom，底層使用。

pyreBloom:master λ ls
Makefile      bloom.h       bloom.pxd     murmur.c      pyreBloom.pyx
bloom.c       bloom.o       main.c        pyreBloom.c

從文件命名上可以看到bloom 使用c編寫。pyreBloom 使用cython編寫。

bloom.h 里面實現BloomFilter的核心邏輯，完成與redis server的交互；hash函數；添加，檢查和刪除方法的實現。

 (pyrebloomctxt * ctxt,  * key,  capacity,  error, * host,  port, * password,  db);
 (pyrebloomctxt * ctxt);

 (pyrebloomctxt * ctxt,   * data,  len);
 (pyrebloomctxt * ctxt,  count);

 (pyrebloomctxt * ctxt,   * data,  len);
 (pyrebloomctxt * ctxt);

 delete(pyrebloomctxt * ctxt);

pyreBloom.pyx

 math
 random

cimport bloom


 ():
	
	


cdef  ():
	cdef bloom.pyrebloomctxt context
	cdef                key

	 bits:
		 ():
			 .context.bits

	 hashes:
		 ():
			 .context.hashes

	 (, , , , , ,
		, ):
		.key  key
		 bloom.init_pyrebloom(.context, .key, capacity,
			error, host, port, password, db):
			 pyreBloomException(.context.ctxt.errstr)

	 ():
		bloom.free_pyrebloom(.context)

	 ():
		bloom.delete(.context)

	 (, ):
		 (value, , ):
			r  [bloom.add(.context, v, (v))  v  value]
			r  bloom.add_complete(.context, (value))
		:
			bloom.add(.context, value, (value))
			r  bloom.add_complete(.context, )
		 r  :
			 pyreBloomException(.context.ctxt.errstr)
		 r

	 (, ):
		 .put(value)

	 (, ):
		 .put(values)

	 (, ):
		
		 (value, , ):
			r  [bloom.check(.context, v, (v))  v  value]
			r  [bloom.check_next(.context)  i  ((value))]
			 ((r)  ):
				 pyreBloomException(.context.ctxt.errstr)
			 [v  v, included  (value, r)  included]
		:
			bloom.check(.context, value, (value))
			r  bloom.check_next(.context)
			 (r  ):
				 pyreBloomException(.context.ctxt.errstr)
			 (r)

	 (, ):
		 .contains(value)

	 ():
		
		 [.context.keys[i]  i  (.context.num_keys)]

原生pyreBloom方法:

cdef  (object):

    cdef bloom.pyrebloomctxt context
    cdef bytes

    property bits:

    property hashes:
    

    def (self):
    

    def (self, value):
    

    def add(self, value):
    

    def extend(self, values):
    

    def contains(self, value):
    

    def keys(self):

由于pyreBloom使用hiredis庫，本身沒有重連等邏輯，于是錯了簡單的封裝。

    
    

















     logging
     six    
     pyreBloom  pyreBloom, pyreBloomException

     BloomFilter.utils  force_utf8


     ():
        












          {, , , , , ,
                , }
          
          
          
          

         (, ):
            



            
            ._bf_conn  

            ._conf  {
                : , : ,
                : , : 
            }

             redis:
                 k, v  redis.items():
                     k  ._conf:
                        ._conf[k]  redis[k]
            ._conf  force_utf8(._conf)

        
         ():
            


              ._bf_conn:
                prefix  force_utf8(.)
                logging.debug(
                    ,
                    ._conf[], ._conf[], ._conf[],
                    prefix, ., .,
                )
                ._bf_conn  pyreBloom(
                    prefix, ., ., ._conf)
             ._bf_conn

         (, ):
            




            
             method   .:
                 ()

            
             (, ):
                
                args  force_utf8(a)
                kwargs  force_utf8(kwargs)
                 _  (.):
                    :
                        func  (.bf_conn, method)
                        res  func(args, kwargs)
                        
                        
                         method    :
                             (res, ):
                                 [i.decode()  i  res]
                         res
                     pyreBloomException  error:
                        logging.warn(
                            , method, (error))
                        .reconnect()
                         _  .:
                            logging.error()
                             error

             catch_error

         (, ):
            




             .contains(item)

         ():
            







             ._bf_conn:
                logging.debug()
                 ._bf_conn
                ._bf_conn  
                _  .bf_conn

進階：計數過濾器(Counting Filter)

提供了一種在BloomFilter上實現刪除操作的方法，而無需重新重新創建過濾器。在計數濾波器中，陣列位置（桶）從單個位擴展為n位計數器。實際上，常規布隆過濾器可以被視為計數過濾器，其桶大小為一位。

插入操作被擴展為遞增桶的值，并且查找操作檢查每個所需的桶是否為非零。然后，刪除操作包括遞減每個桶的值。

存儲桶的算術溢出是一個問題，并且存儲桶應該足夠大以使這種情況很少見。如果確實發生，則增量和減量操作必須將存儲區設置為最大可能值，以便保留BloomFilter的屬性。

計數器的大小通常為3或4位。因此，計算布隆過濾器的空間比靜態布隆過濾器多3到4倍。相比之下， Pagh，Pagh和Rao（2005）以及Fan等人的數據結構。（2014）也允許刪除但使用比靜態BloomFilter更少的空間。

計數過濾器的另一個問題是可擴展性有限。由于無法擴展計數布隆過濾器表，因此必須事先知道要同時存儲在過濾器中的最大鍵數。一旦超過表的設計容量，隨著插入更多密鑰，誤報率將迅速增長。

Bonomi等人。（2006）引入了一種基于d-left散列的數據結構，它在功能上是等效的，但使用的空間大約是計算BloomFilter的一半。此數據結構中不會出現可伸縮性問題。一旦超出設計容量，就可以將密鑰重新插入到雙倍大小的新哈希表中。

Putze，Sanders和Singler（2007）的節省空間的變體也可用于通過支持插入和刪除來實現計數過濾器。

Rottenstreich，Kanizo和Keslassy（2012）引入了一種基于變量增量的新通用方法，該方法顯著提高了計算布隆過濾器及其變體的誤報概率，同時仍支持刪除。與計數布隆過濾器不同，在每個元素插入時，散列計數器以散列變量增量而不是單位增量遞增。要查詢元素，需要考慮計數器的確切值，而不僅僅是它們的正面性。如果由計數器值表示的總和不能由查詢元素的相應變量增量組成，則可以將否定答案返回給查詢。

原文作者：盧瑋，掌閱資深后端工程師