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如何使用php+redis实现布隆过滤器

Redis Assistant
Redis Assistant

Redis Assistant 是一款为Redis设计的高效可视化管理与监控工具,提供多种操作模式,高效处理服务器数据。日常使用里的持续防护和信息管理会更突出,适合把安全控制放进长期使用流程中的场景。

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首先定义一个hash函数集合类,这些hash函数不一定都用到,实际上32位hash值的用3个就可以了,具体的数量可以根据你的位序列总量和你需要存入的量决定,上面已经给出最佳值。classBloomFilterHash{/***由JustinSobel编写的按位散列函数*/publicfunctionJSHash($string,$len=null){$hash=1315423911;$len||$len=strlen($string);for($i=0;$iHash->$function($string,

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    首先定义一个hash函数集合类,这些hash函数不一定都用到,实际上32位hash值的用3个就可以了,具体的数量可以根据你的位序列总量和你需要存入的量决定,上面已经给出最佳值。

    class BloomFilterHash
    {
        /**
         * 由Justin Sobel编写的按位散列函数
         */
        public function JSHash($string, $len = null)
        {
            $hash = 1315423911;
            $len || $len = strlen($string);
            for ($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash ^= (($hash << 5) + ord($string[$i]) + ($hash >> 2));
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    
        /**
         * 该哈希算法基于AT&T贝尔实验室的Peter J. Weinberger的工作。
         * Aho Sethi和Ulman编写的“编译器(原理,技术和工具)”一书建议使用采用此特定算法中的散列方法的散列函数。
         */
        public function PJWHash($string, $len = null)
        {
            $bitsInUnsignedInt = 4 * 8; //(unsigned int)(sizeof(unsigned int)* 8);
            $threeQuarters = ($bitsInUnsignedInt * 3) / 4;
            $oneEighth = $bitsInUnsignedInt / 8;
            $highBits = 0xFFFFFFFF << (int) ($bitsInUnsignedInt - $oneEighth);
            $hash = 0;
            $test = 0;
            $len || $len = strlen($string);
            for($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash = ($hash << (int) ($oneEighth)) + ord($string[$i]); } $test = $hash & $highBits; if ($test != 0) { $hash = (($hash ^ ($test >> (int)($threeQuarters))) & (~$highBits));
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    
        /**
         * 类似于PJW Hash功能,但针对32位处理器进行了调整。它是基于UNIX的系统上的widley使用哈希函数。
         */
        public function ELFHash($string, $len = null)
        {
            $hash = 0;
            $len || $len = strlen($string);
            for ($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash = ($hash << 4) + ord($string[$i]); $x = $hash & 0xF0000000; if ($x != 0) { $hash ^= ($x >> 24);
                }
                $hash &= ~$x;
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    
        /**
         * 这个哈希函数来自Brian Kernighan和Dennis Ritchie的书“The C Programming Language”。
         * 它是一个简单的哈希函数,使用一组奇怪的可能种子,它们都构成了31 .... 31 ... 31等模式,它似乎与DJB哈希函数非常相似。
         */
        public function BKDRHash($string, $len = null)
        {
            $seed = 131;  # 31 131 1313 13131 131313 etc..
            $hash = 0;
            $len || $len = strlen($string);
            for ($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash = (int) (($hash * $seed) + ord($string[$i]));
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    
        /**
         * 这是在开源SDBM项目中使用的首选算法。
         * 哈希函数似乎对许多不同的数据集具有良好的总体分布。它似乎适用于数据集中元素的MSB存在高差异的情况。
         */
        public function SDBMHash($string, $len = null)
        {
            $hash = 0;
            $len || $len = strlen($string);
            for ($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash = (int) (ord($string[$i]) + ($hash << 6) + ($hash << 16) - $hash);
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    
        /**
         * 由Daniel J. Bernstein教授制作的算法,首先在usenet新闻组comp.lang.c上向世界展示。
         * 它是有史以来发布的最有效的哈希函数之一。
         */
        public function DJBHash($string, $len = null)
        {
            $hash = 5381;
            $len || $len = strlen($string);
            for ($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash = (int) (($hash << 5) + $hash) + ord($string[$i]);
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    
        /**
         * Donald E. Knuth在“计算机编程艺术第3卷”中提出的算法,主题是排序和搜索第6.4章。
         */
        public function DEKHash($string, $len = null)
        {
            $len || $len = strlen($string);
            $hash = $len;
            for ($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash = (($hash << 5) ^ ($hash >> 27)) ^ ord($string[$i]);
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    
        /**
         * 参考 http://www.isthe.com/chongo/tech/comp/fnv/
         */
        public function FNVHash($string, $len = null)
        {
            $prime = 16777619; //32位的prime 2^24 + 2^8 + 0x93 = 16777619
            $hash = 2166136261; //32位的offset
            $len || $len = strlen($string);
            for ($i=0; $i<$len; $i++) {
                $hash = (int) ($hash * $prime) % 0xFFFFFFFF;
                $hash ^= ord($string[$i]);
            }
            return ($hash % 0xFFFFFFFF) & 0xFFFFFFFF;
        }
    }

    接着就是连接redis来进行操作

    /**
     * 使用redis实现的布隆过滤器
     */
    abstract class BloomFilterRedis
    {
        /**
         * 需要使用一个方法来定义bucket的名字
         */
        protected $bucket;
    
        protected $hashFunction;
    
        public function __construct($config, $id)
        {
            if (!$this->bucket || !$this->hashFunction) {
                throw new Exception("需要定义bucket和hashFunction", 1);
            }
            $this->Hash = new BloomFilterHash;
            $this->Redis = new YourRedis; //假设这里你已经连接好了
        }
    
        /**
         * 添加到集合中
         */
        public function add($string)
        {
            $pipe = $this->Redis->multi();
            foreach ($this->hashFunction as $function) {
                $hash = $this->Hash->$function($string);
                $pipe->setBit($this->bucket, $hash, 1);
            }
            return $pipe->exec();
        }
    
        /**
         * 查询是否存在, 如果曾经写入过,必定回true,如果没写入过,有一定几率会误判为存在
         */
        public function exists($string)
        {
            $pipe = $this->Redis->multi();
            $len = strlen($string);
            foreach ($this->hashFunction as $function) {
                $hash = $this->Hash->$function($string, $len);
                $pipe = $pipe->getBit($this->bucket, $hash);
            }
            $res = $pipe->exec();
            foreach ($res as $bit) {
                if ($bit == 0) {
                    return false;
                }
            }
            return true;
        }
    
    }

    上面定义的是一个抽象类,如果要使用,可以根据具体的业务来使用。比如下面是一个过滤重复内容的过滤器。

    /**
     * 重复内容过滤器
     * 该布隆过滤器总位数为2^32位, 判断条数为2^30条. hash函数最优为3个.(能够容忍最多的hash函数个数)
     * 使用的三个hash函数为
     * BKDR, SDBM, JSHash
     *
     * 注意, 在存储的数据量到2^30条时候, 误判率会急剧增加, 因此需要定时判断过滤器中的位为1的的数量是否超过50%, 超过则需要清空.
     */
    class FilteRepeatedComments extends BloomFilterRedis
    {
        /**
         * 表示判断重复内容的过滤器
         * @var string
         */
        protected $bucket = 'rptc';
    
        protected $hashFunction = array('BKDRHash', 'SDBMHash', 'JSHash');
    }
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