內(nèi)存崩潰了？其實(shí)你只需要換一種方式
在上一篇 Java 多線程爬蟲及分布式爬蟲架構(gòu)探索 中，我們使用了 JDK 自帶的 Set 集合來進(jìn)行 URL 去重，看上去效果不錯(cuò)，但是這種做法有一個(gè)致命了缺陷，就是隨著采集的 URL 增多，你需要的內(nèi)存越來越大，最終會(huì)導(dǎo)致你的內(nèi)存崩潰。那我們?cè)诓皇褂脭?shù)據(jù)庫(kù)的情況下有沒有解決辦法呢?還記得我們?cè)谏弦黄恼轮刑岬降牟悸∵^濾器嗎?它就可以完美解決這個(gè)問題，布隆過濾器有什么特殊的地方呢?接下來就一起來學(xué)習(xí)一下布隆過濾器。
什么是布隆過濾器
布隆過濾器是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，比較巧妙的概率型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是在 1970 年由一個(gè)名叫布隆提出的，它實(shí)際上是由一個(gè)很長(zhǎng)的二進(jìn)制向量和一系列隨機(jī)映射函數(shù)組成，這點(diǎn)跟哈希表有些相同，但是相對(duì)哈希表來說布隆過濾器它更高效、占用空間更少，布隆過濾器有一個(gè)缺點(diǎn)那就是有一定的誤識(shí)別率和刪除困難。布隆過濾器只能告訴你某個(gè)元素一定不存在或者可能存在在集合中， 所以布隆過濾器經(jīng)常用來處理可以忍受判斷失誤的業(yè)務(wù)，比如爬蟲 URL 去重。
布隆過濾器原理
在說布隆過濾器原理之前，我們先來復(fù)習(xí)一下哈希表，在上一篇文章中，我們利用的是 Set 來進(jìn)行 URL 去重，我們來看看 Set 的存儲(chǔ)模型
Set url 去重
URL 經(jīng)過一個(gè)哈希函數(shù)后，將 URL 存入了數(shù)組里，這樣查詢時(shí)也是非常高效的，但是由于數(shù)組里存入的是 URL，隨著 URL 的增多，需要的數(shù)組越來越大，意味著你需要更多的內(nèi)存，比如我們采集了幾億的 URL，那么可能就需要上百G 的內(nèi)存，這是條件不允許的，因?yàn)閮?nèi)存特別的昂貴，所以這個(gè)在 url 去重中是不可取的，占內(nèi)存更小的布隆過濾器就是一種不錯(cuò)的選擇。
布隆過濾器實(shí)質(zhì)上由長(zhǎng)度為 m 的位向量或位列表(僅包含 0 或 1 位值的列表)組成，最初所有值均設(shè)置為 0，如下所示。
布隆過濾器
因?yàn)榈讓邮?bit 數(shù)組，所以意味著數(shù)組只有 0、1 兩個(gè)值，跟哈希表一樣，我們將 URL 通過 K 個(gè)函數(shù)映射 bit 數(shù)組里，并且將指向的 Bit 數(shù)組對(duì)應(yīng)的值改成 1 。我們以 /nba/2492297.html 為例，如下圖所示。
布隆過濾器
/nba/2492297.html經(jīng)過三個(gè)哈希函數(shù)分別映射到了 1、4、9 的位置，這三個(gè) bit 數(shù)組的值就變成了 1，我們?cè)俅嫒胍粋€(gè) /nba/2492298.html，此時(shí) bit 數(shù)組就變成下面這樣：
布隆過濾器
/nba/2492298.html被映射到了 0、4、11 的位置，所以此時(shí) bit 數(shù)組上有 5 個(gè)位置的值為 1，本應(yīng)該是有 6 個(gè)值為 1 的，但是因?yàn)樵?4 這個(gè)位置重復(fù)了，所以會(huì)覆蓋。
布隆過濾器是如何判斷某個(gè)值一定不存在或者可能存在呢?通過判斷哈希函數(shù)映射到對(duì)應(yīng)數(shù)組的值，如果都為 1，說明可能存在，如果有一個(gè)不為 1，說明一定不存在。對(duì)于一定不存在好理解，但是都為 1 時(shí)，為什么說可能存在呢?這跟哈希表一樣，哈希函數(shù)會(huì)產(chǎn)生哈希沖突，也就是說兩個(gè)不同的值經(jīng)過哈希函數(shù)都會(huì)得到同一個(gè)數(shù)組下標(biāo)，布隆過濾器也是一樣的。我們以判斷 /nba/2492299.html 是否已經(jīng)采集過為例，經(jīng)過哈希函數(shù)映射的 bit 數(shù)組上的位置如下圖所示：
布隆過濾器
/nba/2492299.html 被哈希函數(shù)映射到了 4、9、11 的位置，而這幾個(gè)位置的值都為 1 ，所以布隆過濾器就認(rèn)為 /nba/2492299.html 被采集過了，實(shí)際上是沒有采集過的，這就說明了布隆過濾器存在誤判，這也是我們業(yè)務(wù)允許的。布隆過濾器的誤判率跟 bit 數(shù)組的大小和哈希函數(shù)的個(gè)數(shù)有關(guān)系，如果 bit 數(shù)組過小，哈希函數(shù)過多，那么 bit 數(shù)組的值很快都會(huì)變成 1，這樣誤判率就會(huì)越來越高，bit 數(shù)組過大，就會(huì)浪費(fèi)更多的內(nèi)存，所以就要平衡好 bit 數(shù)組的大小和哈希函數(shù)的個(gè)數(shù)，關(guān)于如何平衡這兩個(gè)的關(guān)系，不是我們這篇文章的重點(diǎn)。
布隆過濾器的原理我們已經(jīng)了解了，為了加深對(duì)布隆過濾器的理解，我們用 Java 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)易版的布隆過濾器，代碼如下：
- public class SimpleBloomFilterTest {
- // bit 數(shù)組的大小
- private static final int DEFAULT_SIZE = 1000;
- // 用來生產(chǎn)三個(gè)不同的哈希函數(shù)的
- private static final int[] seeds = new int[]{7, 31, 61,};
- // bit 數(shù)組
- private BitSet bits = new BitSet(DEFAULT_SIZE);
- // 存放哈希函數(shù)的數(shù)組
- private SimpleHash[] func = new SimpleHash[seeds.length];
- public static void main(String[] args) {
- SimpleBloomFilterTest filter = new SimpleBloomFilterTest();
- filter.add("https://voice.hupu.com/nba/2492440.html");
- filter.add("https://voice.hupu.com/nba/2492437.html");
- filter.add("https://voice.hupu.com/nba/2492439.html");
- System.out.println(filter.contains("https://voice.hupu.com/nba/2492440.html"));
- System.out.println(filter.contains("https://voice.hupu.com/nba/249244.html"));
- }
- public SimpleBloomFilterTest() {
- for (int i = 0; i < seeds.length; i++) {
- func[i] = new SimpleHash(DEFAULT_SIZE, seeds[i]);
- }
- }
- /**
- * 向布隆過濾器添加元素
- * @param value
- */
- public void add(String value) {
- for (SimpleHash f : func) {
- bits.set(f.hash(value), true);
- }
- }
- /**
- * 判斷某元素是否存在布隆過濾器
- * @param value
- * @return
- */
- public boolean contains(String value) {
- if (value == null) {
- return false;
- }
- boolean ret = true;
- for (SimpleHash f : func) {
- ret = ret && bits.get(f.hash(value));
- }
- return ret;
- }
- /**
- * 哈希函數(shù)
- */
- public static class SimpleHash {
- private int cap;
- private int seed;
- public SimpleHash(int cap, int seed) {
- this.cap = cap;
- this.seed = seed;
- }
- public int hash(String value) {
- int result = 0;
- int len = value.length();
- for (int i = 0; i < len; i++) {
- result = seed * result + value.charAt(i);
- }
- return (cap - 1) & result;
- }
- }
- }
把上面這段代碼理解好對(duì)我們理解布隆過濾器非常有幫助，實(shí)際上在工作中并不需要我們自己實(shí)現(xiàn)布隆過濾器，谷歌已經(jīng)幫我們實(shí)現(xiàn)了布隆過濾器，在 Guava 包中提供了 BloomFilter，這個(gè)布隆過濾器實(shí)現(xiàn)的非常棒，下面就看看谷歌辦的布隆過濾器。
布隆過濾器 Guava 版
要使用 Guava 包下提供的 BloomFilter ，就需要引入 Guava 包，我們?cè)?pom.xml 中引入下面依賴：
- <dependency>
- <groupId>com.google.guava</groupId>
- <artifactId>guava</artifactId>
- <version>28.1-jre</version>
- </dependency>
Guava 中的布隆過濾器實(shí)現(xiàn)的非常復(fù)雜，關(guān)于細(xì)節(jié)我們就不去探究了，我們就來看看 Guava 中布隆過濾器的構(gòu)造函數(shù)吧，Guava 中并沒有提供構(gòu)造函數(shù)，而且提供了 create 方法來構(gòu)造布隆過濾器：
- public static <T> BloomFilter<T> create(
- Funnel<? super T> funnel, int expectedInsertions, double fpp) {
- return create(funnel, (long) expectedInsertions, fpp);
- }
funnel：你要過濾數(shù)據(jù)的類型
expectedInsertions：你要存放的數(shù)據(jù)量
fpp：誤判率
你只需要傳入這三個(gè)參數(shù)你就可以使用 Guava 包中的布隆過濾器了，下面這我寫的一段 Guava 布隆過濾器測(cè)試程序，可以改動(dòng) fpp 多運(yùn)行幾次，體驗(yàn) Guava 的布隆過濾器。
- public class GuavaBloomFilterTest {
- // bit 數(shù)組大小
- private static int size = 10000;
- // 布隆過濾器
- private static BloomFilter<String> bloomFilter = BloomFilter.create(Funnels.stringFunnel(Charset.defaultCharset()), size, 0.03);
- public static void main(String[] args) {
- // 先向布隆過濾器中添加 10000 個(gè)url
- for (int i = 0; i < size; i++) {
- String url = "https://voice.hupu.com/nba/" + i;
- bloomFilter.put(url);
- }
- // 前10000個(gè)url不會(huì)出現(xiàn)誤判
- for (int i = 0; i < size; i++) {
- String url = "https://voice.hupu.com/nba/" + i;
- if (!bloomFilter.mightContain(url)) {
- System.out.println("該 url 被采集過了");
- }
- }
- List<String> list = new ArrayList<String>(1000);
- // 再向布隆過濾器中添加 2000 個(gè) url ，在這2000 個(gè)中就會(huì)出現(xiàn)誤判了
- // 誤判的個(gè)數(shù)為 2000 * fpp
- for (int i = size; i < size + 2000; i++) {
- String url = "https://voice.hupu.com/nba/" + i;
- if (bloomFilter.mightContain(url)) {
- list.add(url);
- }
- }
- System.out.println("誤判數(shù)量：" + list.size());
- }
- }
布隆過濾器的應(yīng)用
緩存擊穿
緩存擊穿是查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中不存在的數(shù)據(jù)，如果有用戶惡意模擬請(qǐng)求很多緩存中不存在的數(shù)據(jù)，由于緩存中都沒有，導(dǎo)致這些請(qǐng)求短時(shí)間內(nèi)直接落在了DB上，對(duì)DB產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致數(shù)據(jù)庫(kù)異常。
最常見的解決辦法就是采用布隆過濾器，將所有可能存在的數(shù)據(jù)哈希到一個(gè)足夠大的bitmap中，一個(gè)一定不存在的數(shù)據(jù)會(huì)被這個(gè)bitmap攔截掉，從而避免了對(duì)底層存儲(chǔ)系統(tǒng)的查詢壓力。下面是一段偽代碼：
- public String getByKey(String key) {
- // 通過key獲取value
- String value = redis.get(key);
- if (StringUtil.isEmpty(value)) {
- if (bloomFilter.mightContain(key)) {
- value = xxxService.get(key);
- redis.set(key, value);
- return value;
- } else {
- return null;
- }
- }
- return value;
- }
爬蟲 URL 去重
爬蟲是對(duì) url 的去重，防止 url 重復(fù)采集，這也是我們這篇文章重點(diǎn)講解的內(nèi)容
垃圾郵件識(shí)別
從數(shù)十億個(gè)垃圾郵件列表中判斷某郵箱是否垃圾郵箱，將垃圾郵箱添加到布隆過濾器中，然后判斷某個(gè)郵件是否是存在在布隆過濾器中，存在說明就是垃圾郵箱。
