布隆过滤器的原理和使用场景详解
什么是布隆过滤器？
布隆过滤器是一种数据结构，特点是高效的插入和查询，而且非常节省空间。通过对位（bit）的操作，可以用来告诉你”某个值一定不存在或者可能存在“。相比于传统的 List、Set、Map 等数据结构，它更高效、占用空间更少，但是缺点是 hash 碰撞造成的误判。
场景
一般使用较多的场景就是避免缓存穿透，具体场景就是：在使用 Reids 做数据缓存的时候，很有可能会遇到一个问题：用户想要查询一个数据，发现 redis 缓存没有命中，于是向数据库查询。发现也没有，于是本次查询失败。当用户很多的时候，缓存都没有命中，于是都去请求数据库。这会给数据库造成很大的压力，这时候就相当于出现了缓存穿透。缓存穿透也是实际开发中必须要避免和提前预防的内容之一。
避免缓存穿透，有以下几种解决方案：
1、缓存空值。
当数据库查询不到数据时，也往缓存里写入空值，这样可以避免大量请求命中数据库。但缺点很明显，如果空值需要被缓存，意味着需要存储更多的 key 。而且即使对空值设置了过期时间，还会照成业务上的不一致。此种用法较初级，不推荐使用。
2、使用 HashMap。
将需要查询的 key 提前加载到 HashMap 中，因为 HashMap 查找的时间复杂度为 O(1) ，因此通过映射可以快速查找到相应的 Key 来判定 Key 是否存在 ，如果查不出来就没必要继续查找缓存了。但是这样做的话极其消耗宝贵的内存，数据量大的情况下成本也会上升。此种做法会对内容造成不可测的负担，不推荐使用。
3、使用 Bloom Filter。
原理上和使用 HashMap 一样，但更省空间。此种做法为主流做法，推荐使用布隆过滤器。
布隆过滤器的存储机制及数据结构
了解布隆过滤器原理之前，先回顾下 Hash 函数原理。
哈希函数
哈希函数的概念是：将任意大小的输入数据转换成特定大小的输出数据的函数，转换后的数据称为哈希值或哈希编码，也叫散列值。下面是一幅示意图：
所有散列函数都有如下基本特性：
- 如果两个散列值是不相同的（根据同一函数），那么这两个散列值的原始输入也是不相同的。这个特性是散列函数具有确定性的结果，具有这种性质的散列函数称为单向散列函数。
- 散列函数的输入和输出不是唯一对应关系的，如果两个散列值相同，两个输入值很可能是相同的，但也可能不同，这种情况称为“散列碰撞（collision）”。
但是用 hash表存储大数据量时，空间效率还是很低，当只有一个 hash 函数时，还很容易发生哈希碰撞。
布隆过滤器数据结构
BloomFilter 是由一个固定大小的二进制向量或者位图（bitmap）和一系列映射函数组成的。在初始状态时，对于长度为 m 的位数组，它的所有位都被置为0，如下图所示：
如果我们要映射一个值到布隆过滤器中，我们要使用 hash 算法，对 key 生成多个哈希值，生成的哈希值与布隆过滤器的位数组下标相对应，并将位从 0 更改为 1
假设现在有 3 个 key：分表为 a, b, c
将 a，b 映射到过滤器中，此时过滤器的状态如下：
当设置了过滤器，我们在查询 key 的时候首先会以同样的方法计算出 key 的哈希值，然后在过滤器中从查找，这样 a 的哈希值 1 4 6 对应的位都是 1 ，表明这个 key 是可能存在的，可以查询缓存或者数据库，而 c 的哈希值 3 6 7 所对应的位为有两个是 0，表明这个 key 是绝对不存在的，这时就可以直接返回结果给客户端，避免了空值查询数据库。
值得注意的是，固定长度的过滤器 key 存储的越多，hash 碰撞的几率就越大，越容易产生误判，比如说 c 哈希的值映射到位上碰巧都是1，那么即使 c 不存在，也有可能被误判存在。因此设置合适的数组长度也是需要考虑的，数组越大，误判的几率越小。
显而易见，如果布隆过滤器告诉你不存在，那么它肯定就不存在了，不然怎么会有某一个 hash 函数的值在位数组中不为 1 呢。
但是布隆过滤器告诉你存在，它却不一定存在。 因为当布隆过滤器中存储的数据越来越多，位数组的长度是有限的，那么就有可能多个不同的值哈希出来的值是一样的，就比如上图中的自左至右的第二个1其实就是两个不同的 key 哈希出相同的情况。
当 key 越来越多的情况下，就会出现某个 key 明明不存在，但是它在每个 hash 函数的结果都被其他 key 置为 1 的情况，这其实就是布隆过滤器误报的原因。
通过上面介绍可知，布隆过滤器包含两大部分，一个位数组，以及多个无偏 Hash 函数。而对于如何减小误判率，也是从这2个角度来进行的，适当增加位数组的长度，已经增加无偏hash函数。
布隆过滤器的使用场景
Java 中的布隆过滤器常见的是 Guava 实现，在代码中直接引入相关API即可。但是，这种写法有使用场景，只能再单即的场景下使用，对于微服务多实例的场景下不能使用，微服务场景下的解决方案是借助redis在事项过滤器。具体代码及实现后续会有专门的文章来介绍，欢迎持续关注。
以上为全部内容。
祝：五一快乐。