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布隆过滤器的实现（c++）

分类: 文章 • 2024-12-26 10:42:10

简要介绍一下布隆过滤器：

如果想要判断一个元素是不是在一个集合里，一般想到的是将所有元素保存起来，然后通过比较确定。链表，树等等数据结构都是这种思路. 但是随着集合中元素的增加，我们需要的存储空间越来越大，检索速度也越来越慢(O(n),O(logn))。不过世界上还有一种叫作散列表（又叫哈希表，Hash table）的数据结构。它可以通过一个Hash函数将一个元素映射成一个位阵列（Bit array）中的一个点。这样一来，我们只要看看这个点是不是1就可以知道集合中有没有它了。这就是布隆过滤器的基本思想。（摘自百度百科）       

实现：

1.计算需要的哈希函数个数k及需要申请的内存长度m（m是二进制长度 ，申请时可以申请（（m/32）+1   个int 类型），

2.将文件中的每一个样本经k个哈希函数求得k个哈希值 ，并对每一个哈希值取模（哈希值%m），并将申请的内存中对应位置1（如果本来是1，则不改变），

3.判断某样本是否存在，只需重复第二步，根据哈希函数计算每一个哈希值，取模并看内存中的每个对应位是否为1。

 

查找的时间复杂度为O（1）。

且并不能保证零失误率（本来在集合里的元素一定可以判断正确，但是不在集合中的元素也有可能判断为在集合中）。

 

下图为m，k的计算公式，其中n为样本数量，p为样本失误率，k为需要哈希函数的个数，m为需要申请的内存长度（注意是二进制）。

P真为  真实的失误率。

布隆过滤器的实现（c++）

代码如下：

#ifndef _BLOOMFILTER_
#define _BLOOMFILTER_

#include<math.h>
#include<vector>
using namespace std;
unsigned int SDBMHash(const char *str);
unsigned int RSHash(const char *str);
unsigned int JSHash(const char *str);
unsigned int PJWHash(const char *str);
unsigned int APHash(const char *str);
unsigned int DJBHash(const char *str);
unsigned int ELFHash(const char *str);
unsigned int BKDRHash(const char *str);
class Bloomfilter{
public:
	Bloomfilter(double err_rate,int num,char* path);	//传入样本的文档路径，样本个数，期望的失误率，注意计算得到的哈希函数个数k需要不大于hashtable的size
    ~Bloomfilter();
    bool is_contain(const char* str);	//查看字符串是否在样本中存在
    int hashnum();				//返回k
       // double real_precision();	//返回真实的失误率
    int sizeofpool();				//返回len
	void filter_init();		//初始化布隆过滤器
private:
	void listinit();				//打开path路径的文档，计算每一行样本到内存bitpool中
	int  hashtable_init();			//把几个哈希函数加入到vector<unsigned (*)(const char*)> hastable容器中，必须大于k
	int len; 
	char* mypath;			//文件的路径，通过构造函数传入路径
    Bloomfilter()=delete;
    double precision;
    int *bitpool;		//需要内存的长度,在构造函数中申请
	int bitpoollen;		//需要的二进制位数m
	int hashfuncnum;	//需要的哈希函数的个数k， k <=hashtable.size();
	int samplenum;		//样本个数，构造函数传入
	vector<unsigned int (*)(const char*)> hashtable;	//存放计算字符串哈希值的哈希函数
};
#endif

#include<iostream>
#include<string>
#include<math.h>
#include<stdio.h>
#include"bloomfilter.h"
#include<fstream>
double lg2(double n)
{
	return log(n)/log(2);
}


using namespace std;

int Bloomfilter::hashtable_init()
{
	hashtable.push_back(*PJWHash);
	hashtable.push_back(*JSHash);
	hashtable.push_back(*RSHash);
	hashtable.push_back(*SDBMHash);
	hashtable.push_back(*APHash);
	hashtable.push_back(*DJBHash);
	hashtable.push_back(*BKDRHash);
	hashtable.push_back(*ELFHash);
	return hashtable.size();

}



Bloomfilter::Bloomfilter(double err_rate,int num,char* path)
{
	mypath=path;
	samplenum=num;
	bitpoollen=-((samplenum*log(err_rate))/(log(2)*log(2)));
	hashfuncnum=0.7*(bitpoollen/samplenum);
	len=bitpoollen/32+1;
	bitpool=new int[len];
}
int Bloomfilter::hashnum()
{

	return hashfuncnum;
}
int Bloomfilter::sizeofpool()
{

	return len;
}

void Bloomfilter::filter_init()
{
	hashtable_init();
	if(hashfuncnum>hashtable.size())
	{
		cout<<"哈系表中的函数不足,请添加"<<endl;
		exit(0);
	}
	listinit();				
}

bool Bloomfilter::is_contain(const char* str)
{
	int  hashval;
	for(int i=0;i!=hashfuncnum;i++)
	{
		hashval=hashtable[i](str);
		//cout<<hashval<<" ";   //test
		hashval=hashval%(len*32); //len*32为bitpool的总位数
		if(bitpool[hashval/32]&(0x1<<(hashval%32)))
			continue;
		else
			return false;

	}
	return true;
} 
void Bloomfilter::listinit()
{
        FILE* fp;
        char* buf;
        size_t length=0;
	fp=fopen(mypath,"r+");
	int hashval;
	char* p;
	while(getline(&buf,&length,fp)!=EOF)
	{
		
		p=buf;
		while(*p!='\n')
		{
			p++;
		}
		*p='\0';

		for(int i=0;i!=hashfuncnum;i++)
		{
			
			hashval=hashtable[i](buf);		
		//	cout<<hashval<<" ";	//test
			hashval=hashval%(len*32);
			bitpool[hashval/32]|=(0x1<<(hashval%32));
		}
	}
	fclose(fp);
}

Bloomfilter::~Bloomfilter()
{
	delete  []bitpool;
}

测试代码：

#include<iostream>
#include"bloomfilter.h"

using namespace std;



int main()
{
	Bloomfilter mybloom(0.01,100,"redlist.txt");
	mybloom.filter_init();
	 cout<<"需要的哈希函数的个数 :"<<mybloom.hashnum()<<endl;
	cout<<"需要申请多少个int  :"<<mybloom.sizeofpool()<<endl;
	cout<<"www.dubai.com在我的集合中吗  :"<<(mybloom.is_contain("www.dubai.com")?"在":"不在")<<endl;

	cout<<"www.qq.com在我的集合中吗 :"<<(mybloom.is_contain("www.qq.com")?"在":"不在")<<endl;

	
}

测试结果:

布隆过滤器的实现（c++）

 

ps(篇幅有限，哈希函数的实现只把声明贴上了，定义自行百度);

 

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