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bloom filter概念講解以及代碼分析

2020-01-26 15:50:47
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供稿:網友

一. 簡介
1.什么是bloom filter?
Bloom filter 是由 Howard Bloom 在 1970 年提出的二進制向量數據結構,它具有很好的空間和時間效率,被用來檢測一個元素是不是集合中的一個成員,這種檢測只會對在集合內的數據錯判,而不會對不是集合內的數據進行錯判,這樣每個檢測請求返回有“在集合內(可能錯誤)”和“不在集合內(絕對不在集合內)”兩種情況,可見 Bloom filter 是犧牲了正確率換取時間和空間。

2.bloom filter的計算方法?
如需要判斷一個元素是不是在一個集合中,我們通常做法是把所有元素保存下來,然后通過比較知道它是不是在集合內,鏈表、樹都是基于這種思路,當集合內元素個數的變大,我們需要的空間和時間都線性變大,檢索速度也越來越慢。 Bloom filter 采用的是哈希函數的方法,將一個元素映射到一個 m 長度的陣列上的一個點,當這個點是 1 時,那么這個元素在集合內,反之則不在集合內。這個方法的缺點就是當檢測的元素很多的時候可能有沖突,解決方法就是使用 k 個哈希 函數對應 k 個點,如果所有點都是 1 的話,那么元素在集合內,如果有 0 的話,元素則不在集合內。

3.bloom filter的特點?
Bloom filter 優點就是它的插入和查詢時間都是常數,另外它查詢元素卻不保存元素本身,具有良好的安全性。它的缺點也是顯而易見的,當插入的元素越多,錯判“在集合內”的概率就越大了,另外 Bloom filter 也不能刪除一個元素,因為多個元素哈希的結果可能在 Bloom filter 結構中占用的是同一個位,如果刪除了一個比特位,可能會影響多個元素的檢測。

二. 代碼實現
現下面在linux下實現了bloom filter的功能代碼:

復制代碼 代碼如下:

// bloom.h:
#ifndef __BLOOM_H__
#define __BLOOM_H__

#include<stdlib.h>

typedef unsigned int (*hashfunc_t)(const char *);
typedef struct {
size_t asize;
unsigned char *a;
size_t nfuncs;
hashfunc_t *funcs;
} BLOOM;

BLOOM *bloom_create(size_t size, size_t nfuncs, ...);
int bloom_destroy(BLOOM *bloom);
int bloom_add(BLOOM *bloom, const char *s);
int bloom_check(BLOOM *bloom, const char *s);

#endif

// bloom.c:
#include<limits.h>
#include<stdarg.h>

#include"bloom.h"

#define SETBIT(a, n) (a[n/CHAR_BIT] |= (1<<(n%CHAR_BIT)))
#define GETBIT(a, n) (a[n/CHAR_BIT] & (1<<(n%CHAR_BIT)))

BLOOM *bloom_create(size_t size, size_t nfuncs, ...)
{
BLOOM *bloom;
va_list l;
int n;

if(!(bloom=malloc(sizeof(BLOOM)))) return NULL;
if(!(bloom->a=calloc((size+CHAR_BIT-1)/CHAR_BIT, sizeof(char)))) {
free(bloom);
return NULL;
}
if(!(bloom->funcs=(hashfunc_t*)malloc(nfuncs*sizeof(hashfunc_t)))) {
free(bloom->a);
free(bloom);
return NULL;
}

va_start(l, nfuncs);
for(n=0; n<nfuncs; ++n) {
bloom->funcs[n]=va_arg(l, hashfunc_t);
}
va_end(l);

bloom->nfuncs=nfuncs;
bloom->asize=size;

return bloom;
}

int bloom_destroy(BLOOM *bloom)
{
free(bloom->a);
free(bloom->funcs);
free(bloom);

return 0;
}

int bloom_add(BLOOM *bloom, const char *s)
{
size_t n;

for(n=0; n<bloom->nfuncs; ++n) {
SETBIT(bloom->a, bloom->funcs[n](s)%bloom->asize);
}

return 0;
}

int bloom_check(BLOOM *bloom, const char *s)
{
size_t n;

for(n=0; n<bloom->nfuncs; ++n) {
if(!(GETBIT(bloom->a, bloom->funcs[n](s)%bloom->asize))) return 0;
}

return 1;
}  

// test.c:
#include<stdio.h>
#include<string.h>

#include"bloom.h"
//下面為兩種哈希算法函數
unsigned int sax_hash(const char *key)
{
unsigned int h=0;

while(*key) h^=(h<<5)+(h>>2)+(unsigned char)*key++;

return h;
}


unsigned int sdbm_hash(const char *key)
{
unsigned int h=0;
while(*key) h=(unsigned char)*key++ + (h<<6) + (h<<16) - h;
return h;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
FILE *fp;
char line[1024];
char *p;
BLOOM *bloom;

if(argc<2) {
fprintf(stderr, "ERROR: No word file specified/n");
return EXIT_FAILURE;
}

if(!(bloom=bloom_create(2500000, 2, sax_hash, sdbm_hash))) {
fprintf(stderr, "ERROR: Could not create bloom filter/n");
return EXIT_FAILURE;
}

if(!(fp=fopen(argv[1], "r"))) {
fprintf(stderr, "ERROR: Could not open file %s/n", argv[1]);
return EXIT_FAILURE;
}

while(fgets(line, 1024, fp)) {
if((p=strchr(line, '/r'))) *p='/0';//回車
if((p=strchr(line, '/n'))) *p='/0';//換行

bloom_add(bloom, line);
}

fclose(fp);

while(fgets(line, 1024, stdin)) {
if((p=strchr(line, '/r'))) *p='/0';
if((p=strchr(line, '/n'))) *p='/0';

p=strtok(line, " /t,.;:/r/n?!-/()");
while(p) {
if(!bloom_check(bloom, p)) {
printf("No match for ford /"%s/"/n", p);
}
                    else
                      printf("match for ford /"%s/"/n",p);
p=strtok(NULL, " /t,.;:/r/n?!-/()");
}
}

bloom_destroy(bloom);

return EXIT_SUCCESS;
}  


// Makefile:
   all: bloom

bloom: bloom.o test.o
           cc -o bloom -Wall -pedantic bloom.o test.o

bloom.o: bloom.c bloom.h
           cc -o bloom.o -Wall -pedantic -ansi -c bloom.c

test.o: test.c bloom.h
           cc -o test.o -Wall -pedantic -ansi -c test.c

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