常见场景面试题：BitMap、布隆过滤器

news2025/1/31 11:08:32

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位图 BitMap

BitMap 到底用于解决什么问题？

BitMap 常常用于解决一些数据量比较大的问题，比如说对于1千万个整数，整数的范围在 1~100000000，对于一个整数 x ，我们怎么知道在不在这1千万个整数中呢？

使用 BitMap 来解决的话，就把存在的整数位置给设置为 true，比如 arr[k]=true，那么判断整数 x 是否在这1千万个整数中，只需要判断 arr[x] == true 即可。

那既然这样为什么不使用数组来标记呢？因为数组所占空间过大，会导致内存溢出。比如使用 int[] arr = new int[10];，在 java 中，一个 int 占用 4B，4B = 32bit，那如果使用 BitMap 一个标记仅仅占 1bit，使用数组所占用空间是数组的 32 倍，

Java 中 BitMap 如何实现了？

Java 中 hutool 工具包中实现了 BitMap，引入Maven依赖为：

<dependency>
    <groupId>cn.hutool</groupId>
    <artifactId>hutool-all</artifactId>
    <version>5.8.0.M2</version>
</dependency>

Java 中有两种 bitmap，分别为 IntMap、LongMap，这里以 IntMap 为例：

初始时，ints 数组即为 bitmap 数组，如果我们要向数组中添加 5，过程如下：

计算存储下标，如果要添加 5，那么在 add() 方法中 i=5，因为 int 数组中一个位置是 4B=32bit，所以计算下标时需要对 32 进行取模
之后计算 5 需要存储的位置，也就是在当前这个 32 个位置中，处于第几个位置，所以和 31 进行与操作，31 也就是全1，通过和全1进行与操作就可以计算出位置

图片解释如下：

public class IntMap implements BitMap, Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1L;
    private final int[] ints;

    public IntMap() {
        this.ints = new int[93750000];
    }

    public IntMap(int size) {
        this.ints = new int[size];
    }

    public void add(long i) {
        int r = (int)(i / 32L);
        int c = (int)(i & 31L);
        this.ints[r] |= 1 << c;
    }

    public boolean contains(long i) {
        int r = (int)(i / 32L);
        int c = (int)(i & 31L);
        return (this.ints[r] >>> c & 1) == 1;
    }

    public void remove(long i) {
        int r = (int)(i / 32L);
        int c = (int)(i & 31L);
        int[] var10000 = this.ints;
        var10000[r] &= ~(1 << c);
    }
}

BitMap总结：

BitMap适合存储数据密集的数据，如果对于稀疏数据会造成空间浪费。
相比于其他数组更加节省空间

BitMap的一些适用场景：

统计指定用户一年中的登陆天数，哪几天登陆了，哪几天没有登陆？
判断用户的在线状态
统计活跃用户，使用时间作为缓存的key，用户id值为value中的偏移量，这一时间段如果活跃就设置为1

布隆过滤器

对于仅仅为整数的判断可以使用 BitMap 来进行实现，那么我们来考虑下边这个场景：

如果网站需要设置一个黑名单，url数量会上亿，我们怎么将 url 给存储进 BitMap 中呢？存储在 BitMap 中的下标该如何计算呢？

对于这些复杂情况，就可以使用 Redis 的一种数据结构布隆过滤器，首先布隆过滤器的特点就是判断一个 url 的哈希值的位置，如果是1，则可能在集合中，但是如果不是1，则一定不在集合中。

这是为什么呢？

因为布隆过滤器使用了一组哈希函数，如果仅仅使用一个哈希函数，当 url 数量变多时，计算出来的哈希值冲突概率极高，假设使用的一组哈希函数为h1,h2,...hk，那么布隆过滤器会对一个 url 计算 k 次哈希值，得到 k 个哈希值，将 BitMap 中这 k 个位置都设置为1，那么在判断一个 url 是否存在时，判断这 k 个位置的值是否全部为1，如果有一个位置不为1，则表示该 url 并不在集合中。

布隆过滤器总结：