游戏编程精粹学习 - 使用Bloom过滤来提高计算性能(BloomFilter)

Posted 2020-11-02 HONT blog

原文在《游戏编程精粹2》的1.2中，BloomFilter是一种可以快速检测是否存在集合包含关系的数据结构，但有一定的误识别率。

 

该结构的优点

• 判断包含关系时效率较高，粗略测试了下比List快一倍(不拆分哈希)
• 由于内部是位数组BitArray，做交集并集几乎不产生开销

 

该结构的缺点

• 有一定的误识别率
• 使用情境有限

 

 

我在Github找了一个BloomFilter的库(这个库使用时会产生大量GC,但学习来用够了)：

https://github.com/joeyrobert/bloomfilter

 

首先构建一个长度为N的位数组，将传入数据的哈希值按位拆分成不同段，每一个段作为一个Key放入这个长度为N的位数组。

判断包含时再把对象的多个key与位数组进行比较即可。

 

当然既然都存在误判率，而且是以效率为优先的话，也可以不按位拆分哈希，我写了一个最简单的版本:

public class MyBloomFilter<T>
{
    BitArray mBitArray;


    public MyBloomFilter(int bitLength)
    {
        mBitArray = new BitArray(bitLength);
    }

    public void Add(T obj)
    {
        var key = Mathf.Abs(obj.GetHashCode()) % mBitArray.Length;

        mBitArray[key] = true;
    }

    public bool Contains(T obj)
    {
        var key = Mathf.Abs(obj.GetHashCode()) % mBitArray.Length;
        return mBitArray[key];
    }
}

 

注意C#已经内置了位数组这样的数据结构BitArray。

 

结合之前的可预测随机数(http://www.cnblogs.com/hont/p/8716586.html)，我写了这样一个例子

假设这是一个草药采集的功能，每一个不同颜色的方块代表一颗草药

鼠标点击来采集它们。

 

代码如下

using System.Collections.Generic;
using UnityEngine;

public class HerbGenerator : MonoBehaviour
{
    public int x;
    public int y;
    public int probability = 70;
    List<HerbObject> mCreatedHerbList = new List<HerbObject>();
    MyBloomFilter<int> mCollectedHerbList = new MyBloomFilter<int>(64);


    void Update()
    {
        GetArea(x - 3, y - 3, x + 3, y + 3);

        if (Input.GetMouseButtonDown(0))
        {
            var hit = default(RaycastHit);
            var isHit = Physics.Raycast(Camera.main.ScreenPointToRay(Input.mousePosition), out hit);
            if (isHit)
            {
                var herbObject = hit.transform.GetComponent<HerbObject>();
                mCollectedHerbList.Add(herbObject.seed);

                Destroy(hit.transform.gameObject);
            }
        }
    }

    void GetArea(int beginX, int beginY, int endX, int endY)
    {
        for (int i = 0; i < mCreatedHerbList.Count; i++)
        {
            if (!mCreatedHerbList[i]) continue;
            Destroy(mCreatedHerbList[i].gameObject);
        }

        var cacheState = Random.state;

        mCreatedHerbList.Clear();

        float spacingScale = 1f;//增加间距防止两颗草药同时消失.
        for (int x = beginX, k = 0; x < endX; x++)
        {
            for (int y = beginY; y < endY; y++, k++)
            {
                var seed = 1000 + x + y * (endX - beginX);

                if (mCollectedHerbList.Contains(seed)) continue;

                Random.InitState(seed);
                var r = (int)(Random.value * 100);

                if (r % 100 < probability)
                {
                    var cube = GameObject.CreatePrimitive(PrimitiveType.Cube);
                    var herbObject = cube.AddComponent<HerbObject>();
                    herbObject.seed = seed;

                    cube.transform.position = new Vector3(x * spacingScale, 0, y * spacingScale);

                    GalaxyBuild(r, cube);

                    mCreatedHerbList.Add(herbObject);
                }
            }
        }

        Random.state = cacheState;
    }

    void GalaxyBuild(int seed, GameObject go)
    {
        var cacheState = Random.state;
        Random.InitState(seed);
        var meshRenderer = go.GetComponent<MeshRenderer>();
        switch ((int)(Random.value * 100 % 3))
        {
            case 0://草药类型1
                meshRenderer.material.color = Color.red;
                break;

            case 1://草药类型2
                meshRenderer.material.color = Color.blue;
                break;

            case 2://草药类型3
                meshRenderer.material.color = Color.green;
                break;
        }

        Random.state = cacheState;
    }
}

HerbGenerator

 

 

出现误判时会发生A草药采完后B草药同时消失的情况，只能增加草药刷新的间距来缓解这个问题。