前言

不知道大家有没有注意到，有些APP注册的时候，会提示用户名已经被占用，需要更换一个。

实现这个功能的方式有很多种，现在我们来逐一看一下不同设计方案的优缺点。

数据库方案

这种方式实现起来最简单，但是在数据量大的情况下，比如十亿用户数据时会带来以下问题：

存在延迟比较大的性能问题，如果数据量很大，查询速度会变慢，而且数据库查询涉及到应用服务器和数据库服务器之间的网络通信，建立连接、发送查询、接收响应所需的时间也会导致延迟。
数据库负载过大。频繁执行 SELECT 查询来检查用户名的唯一性，每个查询都会消耗数据库资源，包括 CPU 和 I/O 资源。
可扩展性差。数据库对并发连接和资源有限制。如果注册率持续上升，数据库服务器可能难以处理不断增加的传入请求。数据库的垂直扩展（向单个服务器添加更多资源）可能成本高昂，并且可能存在局限性。

缓存解决方案

为了解决检查用户名唯一性的数据库调用的性能问题，我们可以引入高效的 Redis 缓存方案。

import org.redisson.Redisson;  
import org.redisson.api.RedissonClient;  
import org.redisson.config.Config;  
import org.redisson.api.RMap;  
  
public class UserExistenceChecker {  
  
    // Redis hash map name to store user information  
    private static final String USER_HASH_NAME = "users";  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // Create a Redisson client  
        RedissonClient redisson = createRedissonClient();  
  
        // Retrieve the hash map to store user information  
        RMap<String, String> users = redisson.getMap(USER_HASH_NAME);  
  
        // Add a user to the hash map  
        users.put("user123", "someUserInfo"); // Here "someUserInfo" could be a JSON string, UUID, etc.  
  
        // Check if a user exists  
        boolean exists = users.containsKey("user123");  
        System.out.println("User 'user123' exists? " + exists);  
  
        // Check for a non-existent user  
        exists = users.containsKey("user456");  
        System.out.println("User 'user456' exists? " + exists);  
  
        // Shutdown the Redisson client  
        redisson.shutdown();  
    }  
  
    // Helper method to create a Redisson client  
    private static RedissonClient createRedissonClient() {  
        Config config = new Config();  
        config.useSingleServer()  
                .setAddress("redis://127.0.0.1:6379") // Adjust to your Redis address  
                .setPassword("yourpassword"); // Provide your Redis password if any  
  
        return Redisson.create(config);  
    }  
}

这个方案最大的问题是内存占用过大，假设每个用户名大约需要15字节的内存，如果要存储10亿个用户名，就需要15GB的内存。

总内存 = 每条记录的内存使用量 * 记录数 = 15 字节/记录 * 1,000,000,000 条记录 = 15,000,000,000 字节 ≈ 15,000,000 KB ≈ 15,000 MB ≈ 15 GB

布隆过滤器方案

如果直接通过缓存进行判断，会占用过多的内存，有没有更好的办法？Bloom Filter 是一个很不错的选择。

什么是布隆过滤器？

Bloom Filter 是一种高度节省空间的随机数据结构，它用一个位数组来简洁地表示一个集合，并可以判断某个元素是否属于这个集合。

Bloom Filter 的这种高效是有代价的：在判断某个元素是否属于某个集合时，有可能错误地将不属于该集合的元素认为是属于该集合（false positive）。

因此，Bloom Filter 并不适合“零错误”的应用场景，但在可以容忍较低错误率的应用场景中，Bloom Filter 通过极少的错误实现了存储空间的大幅节省。

结构

从上面的分析可以知道，布隆过滤器的核心思想是利用一个位数组（bit array）和一组哈希函数。

位数组，每个位最初为 0：

在插入值x时，分别使用k个哈希函数（图中3个）对x的值进行哈希运算，并将哈希值与布隆过滤器的容量（位数组长度）取余数，并将结果所代表的相应位的值设置为1。

查找过程类似于插入过程，同样使用k个哈希函数对要查找的值进行哈希处理，只有哈希处理后得到的每个比特位的值为1时，才表示该值“可能”存在；反之，如果任意一个比特位的值为0，则表示该值一定不存在。例如y1一定不存在，而y2则可能存在。

Redis是支持Bloom filter这种数据结构的，我们来使用Redisson客户端简单实现一下代码：

import org.redisson.Redisson;
import org.redisson.api.RBloomFilter;
import org.redisson.api.RedissonClient;
import org.redisson.config.Config;

public class UserExistenceChecker {

    // Name of the Bloom Filter in Redis
    private static final String BLOOM_FILTER_NAME = "user_existence_filter";

    public static void main(String[] args) {
        // Create a Redisson client
        RedissonClient redisson = createRedissonClient();

        // Retrieve or create a Bloom Filter instance
        // Expected number of elements and false positive probability are parameters
        RBloomFilter<String> bloomFilter = redisson.getBloomFilter(BLOOM_FILTER_NAME);
        bloomFilter.tryInit(100000L, 0.001); // Initialize the Bloom Filter with expected elements and false positive rate

        // Add a user to the Bloom Filter
        bloomFilter.add("user123");

        // Check if a user exists
        boolean exists = bloomFilter.contains("user123"); // Should return true
        System.out.println("User 'user123' exists? " + exists);

        // Check for a non-existent user (might falsely report as true due to Bloom Filter's nature)
        exists = bloomFilter.contains("user456"); // Assuming not added, should ideally return false, but could be a false positive
        System.out.println("User 'user456' exists? " + exists);

        // Shutdown the Redisson client
        redisson.shutdown();
    }

    // Helper method to create a Redisson client
    private static RedissonClient createRedissonClient() {
        Config config = new Config();
        config.useSingleServer()
                .setAddress("redis://127.0.0.1:6379"); // Adjust to your Redis address
//                .setPassword("yourpassword"); // Provide your Redis password if any

        return Redisson.create(config);
    }
}

优点：

节省内存空间：相比使用哈希表等数据结构，布隆过滤器通常需要更少的内存空间，因为它不存储实际的元素，而只存储元素的哈希值。如果存储10亿条记录，误差probability为0.001，则只1.67 GB需要的内存。相比原来的15G，已经大大减少了。
高效查找：布隆过滤器可以在常数时间内快速判断某个元素是否存在于集合中(O(1))，而不需要遍历整个集合。

缺点：

存在误报率： Bloom filter 在判断某个元素是否存在的时候，存在一定的误报率。这意味着在某些情况下，它可能会误报某个元素存在，但不会误报某个元素不存在。不过这一般影响不大。
不能删除元素：布隆过滤器通常不支持从集合中删除元素，因为删除一个元素会影响其他元素的哈希值，增加误报率。

如何保证布隆过滤器方案没有误报？

这里可以考虑将Bloom filter与数据库相结合的方案。

使用Bloom Filter判断某个元素是否存在的时候，有一定概率会误报该元素存在，但是不会误报该元素不存在。

所以，当使用布隆过滤器判断某个元素不存在的时候，可以直接信任这个结果并返回。如果判断某个元素存在，此时不要完全信任它的判断，而是去数据库中查询真正的结果。

因为确定某个元素存在的概率已经很低了，所以实际访问数据库的量也会很小，整体压力不是很大。

可以从布隆过滤器中删除元素吗？

为什么 Bloom Filter 中的元素不能被删除呢？我们举一个例子来说明。

比如我们要从集合中删除成员“Jerry”，那么我们首先会用k(图中为2)个哈希函数来计算。由于“Jerry”已经是集合中的成员，所以位数组中对应位置肯定是1。如果要删除这个成员“Jerry”，我们需要将计算出的位置上的1全部设置为0。下图中，只需要将索引位置2和5的值都设置为0即可。

问题来了！现在我们假设“Tom”也已经是集合中的一个元素了。如果我们需要查询“Tom”是否在这个集合中，经过哈希函数计算后，我们会判断第三位和第五位是否为1。这时候我们得到的结果是第五位为0，也就是“Tom”不属于这个集合。很显然，这里是一个false positive。

所以，原始的Bloom Filter是不支持删除元素的，但是Counting Bloom Filter可以。

Counting Bloom Filter 的出现解决了上述问题，它将标准 Bloom Filter 的位数组的每一位扩展为一个小的计数器，当插入一个元素时，分别将对应的 k（k 为哈希函数个数）个计数器的值加 1，当删除一个元素时，分别将对应的 k 个计数器的值减 1。

由此我们可以看出，Counting Bloom Filter 在 Bloom Filter 的基础上增加了一个删除操作，但代价是占用多几倍的存储空间。基本原理是不是很简单呢？看下面这张图，就能明白它和 Bloom Filter 的区别在哪里了。

计数器大小的选择

计数布隆过滤器与布隆过滤器的一个主要区别是，计数布隆过滤器用计数器代替了布隆过滤器中的一位。

那么 Counter 应该设多大呢？这里就需要考虑空间利用率的问题了。从利用率的角度来说，当然是越大越好，因为 Counter 越大，可以表示的信息就越多。但是 Counter 越大，意味着占用的资源越多，往往会造成很大的空间浪费。

所以在选择Counter的时候，我们应该尽可能的满足要求。Counter的具体计算比较复杂，涉及到一系列的数学公式，这里就不展开了，有兴趣的朋友可以参考论文第6、7页：《Summary Cache: A Scalable Wide-Area Web Cache Sharing Protocol》，里面具体阐述了这一点。

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