VictoriaMetrics库布隆过滤器初始化及使用详解

介绍

VictoriaMetrics是一个高效、可扩展、可靠的开源时序数据库和监控系统。该系统利用布隆过滤器（Bloom Filter）来高效地过滤出可能进行hash索引的值，从而提高检索效率。

本文将详细介绍如何在VictoriaMetrics库中进行布隆过滤器的初始化和使用，以及如何通过两个示例说明两种常见的使用方式。

布隆过滤器初始化

在VictoriaMetrics库中，布隆过滤器可以通过vmstorage.NewFilter函数来进行初始化。该函数的完整的函数签名如下：

func NewFilter(m, k uint64) *filter

其中，参数m表示布隆过滤器的比特位数，k表示哈希函数的数量（通常选择8个），根据公式可以计算出布隆过滤器所需的内存大小为m/8 bytes左右，一般需要预留2~3倍的空间，即初始化时的m比实际需要的要大很多。

下面的代码展示了如何创建一个大小为1亿的布隆过滤器：

import (
    "github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/lib/storage"
    "github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/lib/storage/filter"
)

m := uint64(1e8 * 20)
k := uint64(8)
f := filter.NewFilter(m, k)

在初始化完毕后，可以通过Lookup函数来进行快速查询对应的元素是否在布隆过滤器中。其函数签名如下：

func (f *filter) Lookup(s string) bool

其返回值为true表示对应元素很可能在布隆过滤器中，false表示对应元素不在布隆过滤器中。

布隆过滤器使用示例1

在实际使用过程中，布隆过滤器一般用于过滤掉明显不在的元素，以加速后续查询。例如在VictoriaMetrics系统中，可用于过滤掉不存在或无效的数据块。

下面的代码展示了如何在查询数据块时进行布隆过滤器的使用：

import (
    "github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/lib/storage"
    "github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/lib/storage/filter"
)

// 初始化布隆过滤器
m := uint64(1e8 * 20)
k := uint64(8)
f := filter.NewFilter(m, k)

// 将所有存储块的ID加入布隆过滤器中
for _, b := range allBlocks {
    bid := b.ID()
    f.Add(bid)
}

// 查询指定存储块的ID是否在布隆过滤器中
if f.Lookup(blockID) {
    // 存储块存在
    // ......
} else {
    // 存储块不存在
    // ......
}

在上面的示例中，allBlocks是一个存储了所有存储块的数组，b.ID()可以获取对应存储块的ID，blockID是需要查询的存储块的ID。

布隆过滤器使用示例2

布隆过滤器还常用于加速分布式系统中的消息传输。下面的代码展示了如何在VictoriaMetrics系统的Prometheus数据源中应用布隆过滤器：

import (
    "github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/lib/storage"
    "github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/lib/storage/filter"
    "github.com/VictoriaMetrics/VictoriaMetrics/lib/vmselect/prompb"
)

// 初始化布隆过滤器
m := uint64(1e8 * 2)
k := uint64(4)
f := filter.NewFilter(m, k)

// 将后端所有MetricName加入布隆过滤器中
for _, ts := range allTimeSeries {
    mn := ts.Metric
    f.Add(mn)
}

// 检查前端请求中的MetricName是否在布隆过滤器中
for _, q := range req.Queries {
    mn := q.Expr.Metric
    if !f.Lookup(mn) {
        // 如果布隆过滤器中没有该MetricName，直接返回空结果集
        continue
    }
    data, err := storage.Search(storage.DefaultEngine, tsdb, q)
    // ......
}

在上面的代码中，allTimeSeries是一个包含所有时间序列的数组，ts.Metric可以获取对应时间序列的MetricName，req是VictoriaMetrics系统的查询请求参数，q.Expr.Metric是查询请求中的MetricName。

结论

VictoriaMetrics库中的布隆过滤器是一个高效地过滤出可能进行hash索引的值的工具，可以大大提升查询性能和减少内存占用。在实际使用过程中，可以根据具体的情况灵活应用。