对于海量数据处理业务，我们通常需要一个索引数据结构，用来帮助查询，快速判断数据记录是否存在，这种数据结构通常又叫过滤器(filter)。考虑这样一个场景，上网的时候需要在浏览器上输入URL，这时浏览器需要去判断这是否一个恶意的网站，它将对本地缓存的成千上万的URL索引进行过滤，如果不存在，就放行，如果（可能）存在，则向远程服务端发起验证请求，并回馈客户端给出警告。

   索引的存储又分为有序和无序，前者使用关联式容器，比如B树，后者使用哈希算法。这两类算法各有优劣：比如，关联式容器时间复杂度稳定O(logN)，且支持范围查询；又比如哈希算法的查询、增删都比较快O(1)，但这是在理想状态下的情形，遇到碰撞严重的情况，哈希算法的时间复杂度会退化到O(n)。因此，选择一个好的哈希算法是很重要的。

   时下一个非常流行的哈希索引结构就是bloom filter，它类似于bitmap这样的hashset，所以空间利用率很高。其独特的地方在于它使用多个哈希函数来避免哈希碰撞，如图所示（来源wikipedia），bit数组初始化为全0，插入x时，x被3个哈希函数分别映射到3个不同的bit位上并置1，查询x时，只有被这3个函数映射到的bit位全部是1才能说明x可能存在，但凡至少出现一个0表示x肯定不存在。

   但是，bloom filter的这种位图模式带来两个问题：一个是误报（false positives），在查询时能提供“一定不存在”，但只能提供“可能存在”，因为存在其它元素被映射到部分相同bit位上，导致该位置1，那么一个不存在的元素可能会被误报成存在；另一个是漏报（false nagatives），同样道理，如果删除了某个元素，导致该映射bit位被置0，那么本来存在的元素会被漏报成不存在。由于后者问题严重得多，所以bloom filter必须确保“definitely no”从而容忍“probably yes”，不允许元素的删除。

   关于元素删除的问题，一个改良方案是对bloom filter引入计数，但这样一来，原来每个bit空间就要扩张成一个计数值，空间效率上又降低了。

Cuckoo Hashing

   为了解决这一问题，本文引入了一种新的哈希算法——cuckoo filter，它既可以确保该元素存在的必然性，又可以在不违背此前提下删除任意元素，仅仅比bitmap牺牲了微量空间效率。先说明一下，这个算法的思想来源是一篇CMU论文，笔者按照其思路用C语言做了一个简单实现（Github），附上对一段文本数据进行导入导出的正确性测试。

   接下来我会结合自己的示例代码讲解哈希算法的实现。我们先来看看cuckoo hashing有什么特点，它的哈希函数是成对的（具体的实现可以根据需求设计），每一个元素都是两个，分别映射到两个位置，一个是记录的位置，另一个是备用位置。这个备用位置是处理碰撞时用的，这就要说到cuckoo这个名词的典故了，中文名叫布谷鸟，这种鸟有一种即狡猾又贪婪的习性，它不肯自己筑巢，而是把蛋下到别的鸟巢里，而且它的幼鸟又会比别的鸟早出生，布谷幼鸟天生有一种残忍的动作，幼鸟会拼命把未出生的其它鸟蛋挤出窝巢，今后以便独享“养父母”的食物。借助生物学上这一典故，cuckoo hashing处理碰撞的方法，就是把原来占用位置的这个元素踢走，不过被踢出去的元素还要比鸟蛋幸运，因为它还有一个备用位置可以安置，如果备用位置上还有人，再把它踢走，如此往复。直到被踢的次数达到一个上限，才确认哈希表已满，并执行rehash操作。如下图所示（图片来源）：

   我们不禁要问发生哈希碰撞之前的空间利用率是多少呢？不幸地告诉你，一维数组的哈希表上跟其它哈希函数没什么区别，也就50%而已。但如果是二维的呢？

   一个改进的哈希表如下图所示，每个桶（bucket）有4路槽位（slot）。当哈希函数映射到同一个bucket中，在其它三路slot未被填满之前，是不会有元素被踢的，这大大缓冲了碰撞的几率。笔者自己的简单实现上测过，采用二维哈希表（4路slot）大约80%的占用率（CMU论文数据据说达到90%以上，应该是扩大了slot关联数目所致）。

Cuckoo Filter设计与实现

   cuckoo hashing的原理介绍完了，下面就来演示一下笔者自己实现的一个cuckoo filter应用，简单易用为主，不到500行C代码。应用场景是这样的：假设有一段文本数据，我们把它通过cuckoo filter导入到一个虚拟的flash中，再把它导出到另一个文本文件中。flash存储的单元页面是一个log_entry，里面包含了一对key/value，value就是文本数据，key就是这段大小的数据的SHA1值（照理说SHA1是可以通过数据源生成，没必要存储到flash，但这里主要为了测试而故意设计的，万一key和value之间没有推导关系呢）。

#define SECTOR_SIZE    (1 << 10)
#define DAT_LEN        (SECTOR_SIZE - 20)  /* minus sha1 size */
 
/* The log entries store key-value pairs on flash and the
 * size of each entry is assumed just one sector fit.
 */
struct log_entry {
        uint8_t sha1[20];
        uint8_t data[DAT_LEN];
};

   顺便说明一下DAT_LEN设置，之前我们设计了一个虚拟flash（用malloc模拟出来），由于flash的单位是按页大小SECTOR_SIZE读写，这里假设每个log_entry正好一个页大小，当然可以根据实际情况调整。

   以上是flash的存储结构，至于哈希表里的slot有三个成员tag，status和offset，分别是哈希值，状态值和在flash的偏移位置。其中status有三个枚举值：AVAILIBLE，OCCUPIED，DELETED，分别表示这个slot是空闲的，占用的还是被删除的。至于tag，按理说应该有两个哈希值，对应两个哈希函数，但其中一个已经对应bucket的位置上了，所以我们只要保存另一个备用bucket的位置就行了，这样万一被踢，只要用这个tag就可以找到它的另一个安身之所。

enum { AVAILIBLE, OCCUPIED, DELETED, };
 
/* The in-memory hash bucket cache is to filter keys (which is assumed SHA1) via
 * cuckoo hashing function and map keys to log entries stored on flash.
 */
struct hash_slot_cache {
        uint32_t tag : 30;  /* summary of key */
        uint32_t status : 2;  /* FSM */
        uint32_t offset;  /* offset on flash memory */
};

   乍看之下size有点大是吗？没关系，你也可以根据情况调整数据类型大小，比如uint16_t，这里仅仅为了测试正确性。

   至于哈希表以及bucket和slot的创建见初始化代码。buckets是一个二级指针，每个bucket指向4个slot大小的缓存，即4路slot，那么bucket_num也就是slot_num的1/4。这里我们故意把slot_num调小了点，为的是测试rehash的发生。

#define ASSOC_WAY  (4)  /* 4-way association */
 
struct hash_table {
    struct hash_slot_cache **buckets;
    struct hash_slot_cache *slots;
    uint32_t slot_num;
    uint32_t bucket_num;
};
 
int cuckoo_filter_init(size_t size)
{
    ...
    /* Allocate hash slots */
    hash_table.slot_num = nvrom_size / SECTOR_SIZE;
    /* Make rehashing happen */
    hash_table.slot_num /= 4;
    hash_table.slots = calloc(hash_table.slot_num, sizeof(struct hash_slot_cache));
    if (hash_table.slots == NULL) {
        return -1;
    }
 
    /* Allocate hash buckets associated with slots */
    hash_table.bucket_num = hash_table.slot_num / ASSOC_WAY;
    hash_table.buckets = malloc(hash_table.bucket_num * sizeof(struct hash_slot_cache *));
    if (hash_table.buckets == NULL) {
        free(hash_table.slots);
        return -1;
    }
    for (i = 0; i < hash_table.bucket_num; i++) {
        hash_table.buckets[i] = &hash_table.slots[i * ASSOC_WAY];
    }
}

   下面是哈希函数的设计，这里有两个，前面提到既然key是20字节的SHA1值，我们就可以分别是对key的低32位和高32位进行位运算，只要bucket_num满足2的幂次方，我们就可以将key的一部分同bucket_num - 1相与，就可以定位到相应的bucket位置上，注意bucket_num随着rehash而增大，哈希函数简单的好处是求哈希值十分快。

#define cuckoo_hash_lsb(key, count)  (((size_t *)(key))[0] & (count - 1))
#define cuckoo_hash_msb(key, count)  (((size_t *)(key))[1] & (count - 1))

   终于要讲解cuckoo filter最重要的三个操作了——查询、插入还有删除。查询操作是简单的，我们对传进来的参数key进行两次哈希求值tag[0]和tag[1]，并先用tag[0]定位到bucket的位置，从4路slot中再去对比tag[1]。只有比中了tag后，由于只是key的一部分，我们再去从flash中验证完整的key，并把数据在flash中的偏移值read_addr输出返回。相应的，如果bucket[tag[0]]的4路slot都没有比中，我们再去bucket[tag[1]]中比对（代码略），如果还比不中，可以肯定这个key不存在。这种设计的好处就是减少了不必要的flash读操作，每次比对的是内存中的tag而不需要完整的key。

static int cuckoo_hash_get(struct hash_table *table, uint8_t *key, uint8_t **read_addr)
{
    int i, j;
    uint8_t *addr;
    uint32_t tag[2], offset;
    struct hash_slot_cache *slot;
 
    tag[0] = cuckoo_hash_lsb(key, table->bucket_num);
    tag[1] = cuckoo_hash_msb(key, table->bucket_num);
 
    /* Filter the key and verify if it exists. */
    slot = table->buckets[tag[0]];
    for (i = 0; i bucket_num) == slot[i].tag) {
        if (slot[i].status == OCCUPIED) {
            offset = slot[i].offset;
            addr = key_verify(key, offset);
            if (addr != NULL) {
                if (read_addr != NULL) {
                    *read_addr = addr;
                }
                break;
            }
        } else if (slot[i].status == DELETED) {
            return DELETED;
        }
    }
    ...
}

   接下来先将简单的删除操作，之所以简单是因为delete除了将相应slot的状态值设置一下之外，其实什么都没有干，也就是说它不会真正到flash里面去把数据清除掉。为什么？很简单，没有必要。还有一个原因，flash的写操作之前需要擦除整个页面，这种擦除是会折寿的，所以很多flash支持随机读，但必须保持顺序写。

static void cuckoo_hash_delete(struct hash_table *table, uint8_t *key)
{
    uint32_t i, j, tag[2];
    struct hash_slot_cache *slot;
 
    tag[0] = cuckoo_hash_lsb(key, table->bucket_num);
    tag[1] = cuckoo_hash_msb(key, table->bucket_num);
 
    slot = table->buckets[tag[0]];
    for (i = 0; i bucket_num) == slot[i].tag) {
        slot[i].status = DELETED;
        return;
    }
    ...
}

   了解了flash的读写特性，你就知道为啥插入操作在flash层面要设计成append。不过我们这里不讨论过多flash细节，哈希表层面的插入逻辑其实跟查询差不多，我就不贴代码了。这里要贴的是如何判断并处理碰撞，其实这里也没啥玄机，就是用old_tag和old_offset保存一下临时变量，以便一个元素被踢出去之后还能找到备用的安身之所。但这里会有一个判断，每次踢人都会计数，当alt_cnt大于512时候表示哈希表真的快满了，这时候需要rehash了。

static int cuckoo_hash_collide(struct hash_table *table, uint32_t *tag, uint32_t *p_offset)
{
    int i, j, k, alt_cnt;
    uint32_t old_tag[2], offset, old_offset;
    struct hash_slot_cache *slot;
 
    /* Kick out the old bucket and move it to the alternative bucket. */
    offset = *p_offset;
    slot = table->buckets[tag[0]];
    old_tag[0] = tag[0];
    old_tag[1] = slot[0].tag;
    old_offset = slot[0].offset;
    slot[0].tag = tag[1];
    slot[0].offset = offset;
    i = 0 ^ 1;
    k = 0;
    alt_cnt = 0;
 
KICK_OUT:
    slot = table->buckets[old_tag[i]];
    for (j = 0; j < ASSOC_WAY; j++) {
        if (offset == INVALID_OFFSET && slot[j].status == DELETED) {
            slot[j].status = OCCUPIED;
            slot[j].tag = old_tag[i ^ 1];
            *p_offset = offset = slot[j].offset;
            break;
        } else if (slot[j].status == AVAILIBLE) {
            slot[j].status = OCCUPIED;
            slot[j].tag = old_tag[i ^ 1];
            slot[j].offset = old_offset;
            break;
        }
    }
 
    if (j == ASSOC_WAY) {
        if (++alt_cnt > 512) {
            if (k == ASSOC_WAY - 1) {
                /* Hash table is almost full and needs to be resized */
                return 1;
            } else {
                k++;
            }
        }
        uint32_t tmp_tag = slot[k].tag;
        uint32_t tmp_offset = slot[k].offset;
        slot[k].tag = old_tag[i ^ 1];
        slot[k].offset = old_offset;
        old_tag[i ^ 1] = tmp_tag;
        old_offset = tmp_offset;
        i ^= 1;
        goto KICK_OUT;
    }
 
    return 0;
}

   rehash的逻辑也很简单，无非就是把哈希表中的buckets和slots重新realloc一下，空间扩展一倍，然后再从flash中的key重新插入到新的哈希表里去。这里有个陷阱要注意，千万不能有相同的key混进来！虽然cuckoo hashing不像开链法那样会退化成O(n)，但由于每个元素有两个哈希值，而且每次计算的哈希值随着哈希表rehash的规模而不同，相同的key并不能立即检测到冲突，但当相同的key达到一定规模后，噩梦就开始了，由于rehash里面有插入操作，一旦在这里触发碰撞，又会触发rehash，这时就是一个rehash不断递归的过程，由于其中老的内存没释放，新的内存不断重新分配，整个程序就如同陷入DoS攻击一般瘫痪了。所以每次插入操作前一定要判断一下key是否已经存在过，并且对rehash里的插入使用碰撞断言防止此类情况发生。笔者在测试中不幸中了这样的彩蛋，调试了大半天才搞清楚原因，搞IT的同学们记住一定要防小人啊~

static void cuckoo_rehash(struct hash_table *table)
{
    ...
    uint8_t *read_addr = nvrom_base_addr;
    uint32_t entries = log_entries;
    while (entries--) {
        uint8_t key[20];
        uint32_t offset = read_addr - nvrom_base_addr;
        for (i = 0; i < 20; i++) {
            key[i] = flash_read(read_addr);
            read_addr++;
        }
        /* Duplicated keys in hash table which can cause eternal
         * hashing collision! Be careful of that!
         */
        assert(!cuckoo_hash_put(table, key, &offset));
        if (cuckoo_hash_get(&old_table, key, NULL) == DELETED) {
            cuckoo_hash_delete(table, key);
        }
        read_addr += DAT_LEN;
    }
    ...
}

   到此为止代码的逻辑还是比较简单，使用效果如何呢？我来帮你找个大文件unqlite.c测试一下，这是一个嵌入式数据库源代码，共59959行代码。作为需要导入的文件，编译我们的cuckoo filter，然后执行：

./cuckoo_db unqlite.c output.c

   你会发现生成output.c正好也是59959行代码，一分不差，probably yes终于变成了definitely yes。同时也可以看到，cuckoo filter真的很快！如果你想看hashing的整个过程，可以参照README里把调试宏打开。最后，欢迎给这个小玩意提交PR！

参考资料

   Cuckoo Filter的论文和PPT：Cuckoo Filter: Practically Better Than Bloom

建议继续学习：

1. HashMap解决hash冲突的方法    (阅读：11324)
2. 关于memcache分布式一致性hash    (阅读：10712)
3. 一致性哈希算法及其在分布式系统中的应用    (阅读：7994)
4. 分布式哈希和一致性哈希    (阅读：7729)
5. MinHash原理与应用    (阅读：5931)
6. LVS hash size解决4096个并发的问题    (阅读：5442)
7. 无锁HashMap的原理与实现    (阅读：5461)
8. 如果用户在5分钟内重复上线，就给他发警告，问如何设计？    (阅读：4886)
9. Ubuntu 下Hash校验和不符问题的解决    (阅读：4590)
10. 是时候使用filter:drop-shadow了    (阅读：4048)