Hbase之过滤器

HBase 的基本 API，包括增、删、改、查等。
增、删都是相对简单的操作，与传统的 RDBMS 相比，这里的查询操作略显苍白，只能根据特性的行键进行查询（Get）或者根据行键的范围来查询（Scan）。
HBase 不仅提供了这些简单的查询，而且提供了更加高级的过滤器（Filter）来查询。

过滤器可以根据列族、列、版本等更多的条件来对数据进行过滤，

基于 HBase 本身提供的三维有序（行键，列，版本有序），这些过滤器可以高效地完成查询过滤的任务，带有过滤器条件的 RPC 查询请求会把过滤器分发到各个 RegionServer（这是一个服务端过滤器），这样也可以降低网络传输的压力。

使用过滤器至少需要两类参数：

一类是抽象的操作符，另一类是比较器

作用

• 过滤器的作用是在服务端判断数据是否满足条件，然后只将满足条件的数据返回给客户端
• 过滤器的类型很多，但是可以分为三大类：
  • 比较过滤器：可应用于rowkey、列簇、列、列值过滤器
  • 专用过滤器：只能适用于特定的过滤器
  • 包装过滤器：包装过滤器就是通过包装其他过滤器以实现某些拓展的功能。

比较过滤器

所有比较过滤器均继承自 CompareFilter。创建一个比较过滤器需要两个参数，分别是比较运算符和比较器实例。

 public CompareFilter(final CompareOp compareOp,final ByteArrayComparable comparator) {
    this.compareOp = compareOp;
    this.comparator = comparator;
  }

比较运算符

• LESS <

• LESS_OR_EQUAL <=

• EQUAL =

• NOT_EQUAL <>

• GREATER_OR_EQUAL >=

• GREATER >

• NO_OP 排除所有

常见的六大比较器

BinaryComparator

按字节索引顺序比较指定字节数组，采用Bytes.compareTo(byte[])

BinaryPrefixComparator

通BinaryComparator，只是比较左端前缀的数据是否相同

NullComparator

判断给定的是否为空

BitComparator

按位比较

RegexStringComparator

提供一个正则的比较器，仅支持 EQUAL 和非EQUAL

SubstringComparator

判断提供的子串是否出现在中

代码演示（行键，列簇，列名，列值）

rowKey过滤器：RowFilter 行键过滤器

通过RowFilter与BinaryComparator过滤比rowKey 1500100010小的所有值出来

    /**
     *  需求1：通过RowFilter与BinaryComparator过滤比rowKey 1500100010小的所有值出来
     */
    @Test
    public void rowFilterAndBinaryFun(){
        try {
            //将表名封装成TableName的对象
            TableName students = TableName.valueOf("students");

            //获取表的实例
            Table table = conn.getTable(students);

            //创建Scan对象
            Scan scan = new Scan();
            //创建BinaryComparator比较器
            BinaryComparator binaryComparator = new BinaryComparator(Bytes.toBytes("1500100010"));

            //创建行键过滤
            //老版本：RowFilter(final CompareOp rowCompareOp,final ByteArrayComparable rowComparator)
//            RowFilter rowFilter = new RowFilter(CompareFilter.CompareOp.LESS, binaryComparator);

            //新版本：public RowFilter(final CompareOperator op,final ByteArrayComparable rowComparator)
            RowFilter rowFilter = new RowFilter(CompareOperator.LESS, binaryComparator);


            //设置过滤器
            scan.setFilter(rowFilter);

            ResultScanner resultScanner = table.getScanner(scan);
            //输出结果
            printResultScanner(resultScanner);


        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

列簇过滤器：FamilyFilter

通过FamilyFilter与SubstringComparator查询列簇名包含in的所有列簇下面的数据

       /**
     * 通过FamilyFilter与SubstringComparator查询列簇名包含in的所有列簇下面的数据
     */
    @Test
    public void FamilyFilterAndSubstringFun(){
        try {
            TableName students = TableName.valueOf("students2");

            Table table = conn.getTable(students);

            Scan scan = new Scan();

            //创建包含比较器
            SubstringComparator substringComparator = new SubstringComparator("jia");

            //创建列簇过滤器
            //public FamilyFilter(final CompareOperator op, final ByteArrayComparable familyComparator)
            FamilyFilter familyFilter = new FamilyFilter(CompareOperator.EQUAL, substringComparator);

            scan.setFilter(familyFilter);

            ResultScanner resultScanner = table.getScanner(scan);

            printResultScanner(resultScanner);

        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }

通过FamilyFilter与 BinaryPrefixComparator 过滤出列簇以i开头的列簇下的所有数据

//二进制前缀比较器 BinaryPrefixComparator
BinaryPrefixComparator binaryPrefixComparator = new BinaryPrefixComparator(Bytes.toBytes("i"));

//创建列簇过滤器
FamilyFilter familyFilter = new FamilyFilter(CompareOperator.EQUAL, binaryPrefixComparator);

列名过滤器：QualifierFilter

通过QualifierFilter与SubstringComparator查询列名包含ge的列的值

    /**
     * 通过QualifierFilter与SubstringComparator查询列名包含 ‘级’ 的列的值
     */
    @Test
    public void qualifierFilterAndSubstringFun(){
        try {
            TableName students = TableName.valueOf("students2");

            Table table = conn.getTable(students);

            Scan scan = new Scan();

            //创建包含比较器
            SubstringComparator substringComparator = new SubstringComparator("级");

            //创建列名过滤器
            //public QualifierFilter(final CompareOperator op, final ByteArrayComparable qualifierComparator)
            QualifierFilter qualifierFilter = new QualifierFilter(CompareOperator.EQUAL, substringComparator);

            scan.setFilter(qualifierFilter);

            ResultScanner scanner = table.getScanner(scan);

            printResultScanner(scanner);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }   

列值过滤器：ValueFilter

通过ValueFilter与BinaryPrefixComparator过滤出所有的cell中值以 "张" 开头的学生 只会查询出列值是张前缀的这一列，其他列不查

    /**
     * 通过ValueFilter与BinaryPrefixComparator过滤出所有的cell中值以 "张" 开头的学生
     */
    @Test
    public void valueFilterAndBinaryPrefixFun(){
        try {
            TableName students = TableName.valueOf("students2");

            Table table = conn.getTable(students);

            Scan scan = new Scan();
            //创建二进制前缀比较器
            BinaryPrefixComparator binaryPrefixComparator = new BinaryPrefixComparator(Bytes.toBytes("张"));

            //创建列值过滤器
            //public ValueFilter(final CompareOperator valueCompareOp, final ByteArrayComparable valueComparator)
            ValueFilter valueFilter = new ValueFilter(CompareOperator.EQUAL, binaryPrefixComparator);

            scan.setFilter(valueFilter);

            ResultScanner scanner = table.getScanner(scan);

            printResultScanner(scanner);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
    }  

专用过滤器

单列值过滤器：SingleColumnValueFilter

SingleColumnValueFilter会返回满足条件的cell所在行的所有cell的值（即会返回一行数据）

列值排除过滤器：SingleColumnValueExcludeFilter

与SingleColumnValueFilter相反，会排除掉指定的列，其他的列全部返回

rowkey前缀过滤器：PrefixFilter

通过PrefixFilter查询以15001001开头的所有前缀的rowkey

分页过滤器PageFilter

通过PageFilter查询三页的数据，每页10条

使用PageFilter分页效率比较低，每次都需要扫描前面的数据，直到扫描到所需要查的数据

可设计一个合理的rowkey来实现分页需求

# 注意事项：
客户端进行分页查询，需要传递 startRow(起始 RowKey)，知道起始 startRow 后，就可以返回对应的 pageSize 行数据。这里唯一的问题就是，对于第一次查询，显然 startRow 就是表格的第一行数据，但是之后第二次、第三次查询我们并不知道 startRow，只能知道上一次查询的最后一条数据的 RowKey（简单称之为 lastRow）。

我们不能将 lastRow 作为新一次查询的 startRow 传入，因为 scan 的查询区间是[startRow，endRow) ，即前开后闭区间，这样 startRow 在新的查询也会被返回，这条数据就重复了。

同时在不使用第三方数据库存储 RowKey 的情况下，我们是无法通过知道 lastRow 的下一个 RowKey 的，因为 RowKey 的设计可能是连续的也有可能是不连续的。

由于 Hbase 的 RowKey 是按照字典序进行排序的。这种情况下，就可以在 lastRow 后面加上 0 ，作为 startRow 传入，因为按照字典序的规则，某个值加上 0 后的新值，在字典序上一定是这个值的下一个值，对于 HBase 来说下一个 RowKey 在字典序上一定也是等于或者大于这个新值的。

所以最后传入 lastRow+0，如果等于这个值的 RowKey 存在就从这个值开始 scan,否则从字典序的下一个 RowKey 开始 scan。

25 个字母以及数字字符，字典排序如下:

'0' < '1' < '2' < ... < '9' < 'a' < 'b' < ... < 'z'

需要注意的是在多台 Regin Services 上执行分页过滤的时候，由于并行执行的过滤器不能共享它们的状态和边界，所以有可能每个过滤器都会在完成扫描前获取了 PageCount 行的结果，这种情况下会返回比分页条数更多的数据，分页过滤器就有失效的可能。

包装过滤器

SkipFilter过滤器

SkipFilter包装一个过滤器，当被包装的过滤器遇到一个需要过滤的 KeyValue 实例时，则拓展过滤整行数据。下面是一个使用示例：

// 定义 ValueFilter 过滤器
Filter filter1 = new ValueFilter(CompareOperator.NOT_EQUAL,
      new BinaryComparator(Bytes.toBytes("xxx")));
// 使用 SkipFilter 进行包装
Filter filter2 = new SkipFilter(filter1);

WhileMatchFilter过滤器

WhileMatchFilter 包装一个过滤器，当被包装的过滤器遇到一个需要过滤的 KeyValue 实例时，WhileMatchFilter 则结束本次扫描，返回已经扫描到的结果。

多过滤器综合查询

以上都是讲解单个过滤器的作用，当需要多个过滤器共同作用于一次查询的时候，就需要使用 FilterList。FilterList 支持通过构造器或者 addFilter 方法传入多个过滤器。

布隆过滤器

本质上布隆过滤器是一种数据结构，比较巧妙的概率型数据结构，特点是高效地插入和查询，可以用来告诉你 “某样东西一定不存在或者可能存在”。

相比于传统的 List、Set、Map 等数据结构，它更高效、占用空间更少，但是缺点是其返回的结果是概率性的，而不是确切的。

实际上，布隆过滤器广泛应用于网页黑名单系统、垃圾邮件过滤系统、爬虫网址判重系统等，Google 著名的分布式数据库 Bigtable 使用了布隆过滤器来查找不存在的行或列，以减少磁盘查找的 IO 次数，Google Chrome 浏览器使用了布隆过滤器加速安全浏览服务。

在很多 Key-Value 系统中也使用了布隆过滤器来加快查询过程，如 Hbase，Accumulo，Leveldb，一般而言，Value 保存在磁盘中，访问磁盘需要花费大量时间，然而使用布隆过滤器可以快速判断某个 Key 对应的 Value 是否存在，因此可以避免很多不必要的磁盘 IO 操作。

通过一个 Hash 函数将一个元素映射成一个位阵列（Bit Array）中的一个点。这样一来，我们只要看看这个点是不是 1 就知道可以集合中有没有它了。这就是布隆过滤器的基本思想。

运用场景

1、目前有 10 亿数量的自然数，乱序排列，需要对其排序。限制条件在 32 位机器上面完成，内存限制为 2G。如何完成？

2、如何快速在亿级黑名单中快速定位 URL 地址是否在黑名单中？(每条 URL 平均 64 字节)

3、需要进行用户登陆行为分析，来确定用户的活跃情况？

4、网络爬虫-如何判断 URL 是否被爬过？

5、快速定位用户属性（黑名单、白名单等）？

6、数据存储在磁盘中，如何避免大量的无效 IO？

7、判断一个元素在亿级数据中是否存在？

8、缓存穿透。

实现原理

假设我们有个集合 A，A 中有 n 个元素。利用k个哈希散列函数，将A中的每个元素映射到一个长度为 a 位的数组 B中的不同位置上，这些位置上的二进制数均设置为 1。如果待检查的元素，经过这 k个哈希散列函数的映射后，发现其 k 个位置上的二进制数全部为 1，这个元素很可能属于集合A，反之，一定不属于集合A。

比如我们有 3 个 URL {URL1,URL2,URL3}，通过一个hash 函数把它们映射到一个长度为 16 的数组上，如下：

若当前哈希函数为 Hash1()，通过哈希运算映射到数组中，假设Hash1(URL1) = 4，Hash1(URL2) = 6，Hash1(URL3) = 6，如下：

因此，如果我们需要判断URL1是否在这个集合中，则通过Hash(urL1)计算出其下标，并得到其值若为 1 则说明存在。

由于 Hash 存在哈希冲突，如上面URL2,URL3都定位到一个位置上，假设 Hash 函数是良好的，如果我们的数组长度为 m 个点，那么如果我们想将冲突率降低到例如 1%， 这个散列表就只能容纳 m/100 个元素，显然空间利用率就变低了，也就是没法做到空间有效（space-efficient）。

解决方法也简单，就是使用多个 Hash 算法，如果它们有一个说元素不在集合中，那肯定就不在，如下：

Hash1(URL1) = 3,Hash2(URL1) = 5,Hash3(URL1) = 6
Hash1(URL2) = 5,Hash2(URL2) = 7,Hash3(URL2) = 13
Hash1(URL3) = 4,Hash2(URL3) = 7,Hash3(URL3) = 10

以上就是布隆过滤器做法，使用了k个哈希函数，每个字符串跟 k 个 bit 对应，从而降低了冲突的概率。

误判现象

上面的做法同样存在问题，因为随着增加的值越来越多，被置为 1 的 bit 位也会越来越多，这样某个值即使没有被存储过，但是万一哈希函数返回的三个 bit 位都被其他值置位了 1 ，那么程序还是会判断这个值存在。比如此时来一个不存在的 URL1000，经过哈希计算后，发现 bit 位为下：

Hash1(URL1000) = 7,Hash2(URL1000) = 8,Hash3(URL1000) = 14

但是上面这些 bit 位已经被URL1,URL2,URL3置为 1 了，此时程序就会判断 URL1000 值存在。

这就是布隆过滤器的误判现象，所以，布隆过滤器判断存在的不一定存在，但是，判断不存在的一定不存在。

布隆过滤器可精确的代表一个集合，可精确判断某一元素是否在此集合中，精确程度由用户的具体设计决定，达到 100% 的正确是不可能的。但是布隆过滤器的优势在于，利用很少的空间可以达到较高的精确率。

控制粒度

a）ROW
根据KeyValue中的行来过滤storefile
举例：假设有2个storefile文件sf1和sf2，
sf1包含kv1（r1 cf：q1 v），kv2（r2 cf：q1 v）
sf2包含kv3（r3 cf：q1 v），kv4（r4 cf：q1 v）
若是设置了CF属性中的bloomfilter为ROW，那么得（r1）时就会过滤sf2，get（r3）就会过滤sf1
b）ROWCOL
根据KeyValue中的行+限定符来过滤storefile
举例：假设有2个storefile文件sf1和sf2，
sf1包含kv1（r1 cf：q1 v），kv2（r2 cf：q1 v）
sf2包含kv3（r1 cf：q2 v），kv4（r2 cf：q2 v）
若是设置了CF属性中的布隆过滤器为ROW，不管获得（R1，Q1）仍是获得（R1，Q2），都会读取SF1 + SF2;而若是设置了CF属性中的布隆过滤器为 ROWCOL，那么GET（R1， q1）就会过滤sf2，get（r1，q2）就会过滤sf1
c）NO
默认的值，默认不开启布隆过滤器

实现：

在建立表时加入一个参数就能够了

	 try {
            //使用HTableDescriptor类创建一个表对象
            HTableDescriptor students = new HTableDescriptor("students");

            //在创建表的时候，至少指定一个列簇
            HColumnDescriptor info = new HColumnDescriptor("info");
            info.setBloomFilterType(BloomType.ROW); //<===========================================

            //将列簇添加到表中
            students.addFamily(info);
            //真正的执行，是由HMaster
            //hAdmin
            hAdmin.createTable(students);
            System.out.println(Bytes.toString(students.getName()) + "表 创建成功。。。");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }