Redis(五):跳跃表（SkipList）

冷不防 2022-05-24 07:17 220阅读 0赞

###### 跳跃表 ######

跳跃表(skiplist)是一种有序数据结构，他通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。

跳跃表支持平均O(logN),最坏O(N)复杂度的节点查找，还可以通过顺序性操作来批量处理节点。

在大部分情况下，跳跃表的效率可以和平衡树媲美，并且因为跳跃表的实现比平衡树要来得更为简单，所以有不少程序都直接使用跳跃表来代替平衡树。

Redis使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一，如果一个有序集合包含的元素数量比较多，又或者有序集合中元素的成员（member）是比较长的字符串时，Redis就会使用跳表来作为有序集合键的底层实现。

和链表、字典等数据结构被广泛应用在Redis内部不同，Redis只在两个地方用到了跳跃表，一个是有序列键集合，另一个是在集群节点中用作内部数据结构，除此之外，跳表在Redis里面每有其他用途。

###### 跳跃表实现 ######

跳跃表的实现由redis.h/zskiplistNode和redis.h/zskiplist两个结构定义，其中zskiplistNode结构用于表示跳跃表节点。zskiplist结构则用于保存跳跃表节点的相关信息，比如节点数量，以及指向表头节点和表尾节点的指针。

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如图展示了一个跳跃表示例，位于图片最左边的是zskiplist结构，该结构包含以下属性。

*  header：指向跳跃表的表头节点
 *  tail:指向跳跃表的表尾节点
 *  level:记录目前跳跃表的长度，跳跃表目前包含节点的数量。

位于zskiplist结构右方的是4个zkskiplistNode结构，该结构包含以下属性。

*  层（level）：节点中用L1,L2,L3等字样标记节点的各个层，L1代表第一层，L2代表第二层，以此类推。每个层都带有两个属性，前进指针和跨度。前进指针用户访问位于表尾方向的其他节点，而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。在上面的图片中，连接上带有数字的箭头就代表前进指针，而那个数字就是跨度。当程序从表头向表尾遍历时，访问会沿着层的前进指针进行。
 *  后退（backward）：节点用BW字样标记节点的后退指针，它指向位于当前节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。
 *  分值（score）：每个节点中的1.0、2.0、3.0是节点所保存的分值。在跳跃表中，节点按照各自所保存的分值从小到大排列。
 *  成员对象（obj）：各个节点中的o1,o2和o3是节点所保存的成员对象。

###### 跳跃表节点 ######

跳跃表节点的实现由redis.h/zskiplistNode定义：

typedef struct zskiplistNode{
       struct zskiplistLevel{
          struct zskiplistNode *forward;
          unsigned int span;
       }level[];
       struct zskiplistNode *backward;
       double socre;
       robj *obj;
    }zskiplistNode

1.层

跳跃表节点的level数组可以包含多个元素，每个元素都包含一个指向其他节点的指针，程序可以通过这些层来加快访问其他节点的速度，一般来说，层的数量越多，访问其他节点的速度就越快。

每创建一个新跳跃节点的时候，程序根据幂次定律(power law,越大的数出现的概率越小)随机生成一个介于1和32之间的值作为level数组的大小，这个大小就是层的高度。

2.前进指针

每个层都有一个指向表尾方向的前进指针，用于从表头向表尾方向访问节点。

3.跨度

层的跨度用于记录两个节点之间的距离：

*  两个节点之间的跨度越大，他们相距就越远。
 *  指向NULL的所有前进指针的跨度都为0，因为他们实际上没有连向任何节点。

4.后退指针

节点的后退指针用于从表尾向表头方向访问节点：跟可以一次跳过多个节点的前进指针不同。因为每个节点只有一个后退指针，所以每次只能后退至前一个节点。

5.分值和成员

节点的分值(score)是一个double类型的浮点数，跳跃表中的所有节点都按分值从小到大来排序。