实现一个基于多重哈希的布隆过滤器变种(支持动态扩容和位集压缩)
字数 632 2025-11-29 16:22:22
实现一个基于多重哈希的布隆过滤器变种(支持动态扩容和位集压缩)
题目描述:
设计一个支持动态扩容和位集压缩的布隆过滤器变种。该数据结构需要支持以下操作:
- 添加元素
- 查询元素是否存在
- 动态扩容(当误判率超过阈值时自动扩容)
- 位集压缩(定期压缩位数组以减少内存占用)
解题过程:
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基础布隆过滤器原理
- 布隆过滤器使用一个位数组和k个哈希函数
- 添加元素时,通过k个哈希函数计算k个位置,将这些位置置为1
- 查询元素时,检查k个位置是否都为1,如果都是1则认为可能存在,否则肯定不存在
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多重哈希实现
- 使用双重哈希法生成k个哈希值:hi = h1(x) + i × h2(x)
- 这样可以减少哈希函数计算开销,同时保证哈希值的均匀分布
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动态扩容策略
- 维护当前位数组大小m和元素数量n
- 计算当前误判率:p = (1 - e^(-kn/m))^k
- 当误判率超过阈值(如0.05)时触发扩容
- 新位数组大小为原来的2倍,重新哈希所有已存在元素
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位集压缩实现
- 使用位运算压缩技术,如WAH(Word-Aligned Hybrid)压缩
- 将连续的0或1序列用特殊编码表示
- 定期对位数组进行压缩以减少内存占用
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具体实现步骤:
- 初始化参数:初始大小m,哈希函数数量k,误判率阈值
- 添加元素时先检查是否需要扩容
- 使用双重哈希计算k个位置并置位
- 查询时检查k个位置的状态
- 定期执行位集压缩操作
这个设计在传统布隆过滤器基础上增加了自动扩容和内存优化功能,适合需要控制内存占用且数据量动态变化的场景。