Redis布隆過濾器的原理和應用場景，解決快取穿透

架構師修行手冊發表於2023-04-20
Redis過濾器快取穿透

來源：哪吒程式設計

上一篇分享了圖解Redis，Redis更新策略、快取一致性問題，今天分享一下Redis布隆過濾器的原理和應用場景，解決快取穿透，實現快速入門，豐富個人簡歷，提高面試level，給自己增加一點談資，秒變面試小達人，BAT不是夢。

一、布隆過濾器BloomFilter是什麼

布隆過濾器BloomFilter是一種專門用來解決去重問題的高階資料結果。

實質就是一個大型位陣列和幾個不同的無偏hash函式，無偏表示分佈均勻。由一個初值為零的bit陣列和多個雜湊函式組成，用來判斷某個資料是否存在，它和HyperLogLog一樣，不是那麼的精準，存在一定的誤判機率。

二、布隆過濾器BloomFilter能幹嘛？

Redis布隆過濾器的原理和應用場景，解決快取穿透

高效地插入和查詢，佔用空間少，返回的結果是不確定的，一個元素如果判斷結果為存在，它不一定存在；不存在時，一定不存在。

因為不同的字串的hashcode可能相同，布隆過濾器BloomFilter是根據hashcode判斷的，如果某個hashcode存在，它對應的字串不一定是你想要的那個字串；但是，hashcode不存在時，你所要的字串，肯定不存在，細品~

布隆過濾器BloomFilter只能新增元素，不能刪除元素。

這和上面提到的hashcode判定原理是一樣的，相同hashcode的字串會儲存在一個index，刪除時，是將某個index移除，此時，就可能移除擁有相同hashcode的不同字串，細品~

三、布隆過濾器使用場景

1、解決快取穿透問題

一般情況下，先查詢Redis快取，如果Redis中沒有，再查詢MySQL。當資料庫中也不存在這條資料時，每次查詢都要訪問資料庫，這就是快取穿透。

在Redis前面新增一層布隆過濾器，請求先在布隆過濾器中判斷，如果布隆過濾器不存在時，直接返回，不再反問Redis和MySQL。

如果布隆過濾器中存在時，再訪問Redis，再訪問資料庫。

完美解決快取穿透問題。

Redis布隆過濾器的原理和應用場景，解決快取穿透

2、黑名單

如果黑名單非常大，上千萬了，存放起來很耗費空間，在布隆過濾器中實現黑名單功能，是一個很好的選擇。

3、網頁爬蟲對URL的去重，避免爬取相同的URL地址

四、操作布隆過濾器BloomFilter

1、使用布隆過濾器

（1）初始化bitmap

布隆過濾器 本質上 是由長度為 m 的位向量或位列表（僅包含 0 或 1 位值的列表）組成，最初所有的值均設定為 0。

Redis布隆過濾器的原理和應用場景，解決快取穿透

（2）新增key

使用多個hash函式對key進行hash運算，得到一個整數索引值，對位陣列長度進行取模運算得到一個位置，每個hash函式都會得到一個不同的位置，將這幾個位置的值置為1就表示新增成功。

例如，我們新增一個字串“哪吒程式設計”，對字串進行多次hash(key) → 取模執行→ 得到坑位。

Redis布隆過濾器的原理和應用場景，解決快取穿透

2、刪除key

只要有其中一位是零就表示這個key不存在，但如果都是1，則不一定存在對應的key。

3、判斷是否存在

向布隆過濾器查詢某個key是否存在時，先把這個 key 透過相同的多個 hash 函式進行運算，檢視對應的位置是否都為 1，

只要有一個位為零，那麼說明布隆過濾器中這個 key 不存在；

如果這幾個位置全都是 1，那麼說明極有可能存在；

因為這些位置的 1 可能是因為其他的 key 存在導致的，也就是前面說過的hash衝突

五、程式碼例項

1、使用Redis做快取

public class StudentSerivce {
    public static final String CACHE_KEY = "student:";

    @Resource
    private StudentMapper studentMapper;
    @Resource
    private RedisTemplate redisTemplate;

    public void addstudent(Student student){
        int i = studentMapper.insertStudent(student);

        if(i > 0)
        {
            //到資料庫裡面，重新撈出新資料出來，做快取
            student=studentMapper.selectByKey(student.getId());
            //快取key
            String key=CACHE_KEY+student.getId();
            //往mysql裡面插入成功隨後再從mysql查詢出來，再插入redis
            redisTemplate.opsForValue().set(key,student);
        }
    }

    public Student findstudentById(Integer studentId){
        Student student = null;
        String key=CACHE_KEY+studentId;
        // 查詢redis
        student = (Student) redisTemplate.opsForValue().get(key);
        // redis沒有，查詢mysql
        if(student==null){
            // 從mysql查出來student
            student=studentMapper.selectByPrimaryKey(studentId);
            // mysql有，redis沒有
            if (student != null) {
                // mysql的資料寫入redis
                redisTemplate.opsForValue().set(key,student);
            }
        }
        return student;
    }
}

2、布隆過濾器

import org.springframework.beans.factory.annotation.Autowired;
import org.springframework.stereotype.Service;

/**
 * 布隆過濾器 -> redis -> mysql
 * @autor 哪吒程式設計
 * @date 2023-04-17
 */
@Service
public class StudentServiceImpl implements StudentService {
    public static final String CACHE_KEY = "student:";

    @Autowired
    private StudentMapper studentMapper;

    @Autowired
    private RedisTemplate redisTemplate;

    public void addstudent(student student){
        int i = studentMapper.insertSelective(student);

        if(i > 0) {
            //到資料庫裡面，重新撈出新資料出來，做快取
            student=studentMapper.selectByPrimaryKey(student.getId());
            //快取key
            String key=CACHE_KEY+student.getId();
            //往mysql裡面插入成功隨後再從mysql查詢出來，再插入redis
            redisTemplate.opsForValue().set(key,student);
        }
    }

    public student findstudentById(Integer studentId){
        student student = null;

        //快取key的名稱
        String key=CACHE_KEY+studentId;

        // 查詢redis
        student = (student) redisTemplate.opsForValue().get(key);

        //redis沒有，查詢mysql
        if(student==null) {
            student=studentMapper.selectByPrimaryKey(studentId);
            // mysql有，redis沒有
            if (student != null) {
                // 把mysql撈到的資料寫入redis
                redisTemplate.opsForValue().set(key,student);
            }
        }
        return student;
    }

    /**
     * BloomFilter -> redis -> mysql
     * 白名單：whites
     */
    public student findStudentByIdWithBloomFilter (Integer studentId) {
        student student = null;

        String key = CACHE_KEY + studentId;

        //布隆過濾器校驗，無是絕對無，有是可能有
        if(!checkWithBloomFilter("whites",key)) {
            log.info("白名單無此顧客資訊:{}",key);
            return null;
        }

        //查詢redis
        student = (Student) redisTemplate.opsForValue().get(key);
        //redis沒有，查詢mysql
        if (student == null) {
            student = studentMapper.selectByPrimaryKey(studentId);
            // mysql有，redis沒有
            if (student != null) {
                // 把mysql撈到的資料寫入redis
                redisTemplate.opsForValue().set(key, student);
            }
        }
        return student;
    }

    /**
     * 查詢布隆過濾器中是否存在
     */
    public boolean checkWithBloomFilter(String checkItem,String key) {
        int hashValue = Math.abs(key.hashCode());
        long index = (long) (hashValue % Math.pow(2, 32));
        return redisTemplate.opsForValue().getBit(checkItem, index);
    }
}

六、總結

  1. 有，是可能有；無，是肯定無；
  2. 使用時z，初始化值儘可能滿足實際元素長度，避免擴容；
  3. 當實際元素數量超過初始長度時，應該對布隆過濾器進行重建，再將所有的歷史元素批次新增進去；

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