基于Redis5.0
跳跃表(skiplist)是一种有序数据结构, 它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(log N)
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相媲美, 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 就会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现
为什么选择跳跃表
从该有序表中搜索元素 < 23, 43, 59 > ,需要比较的次数分别为 < 2, 4, 6 >,总共比较的次数为 2 + 4 + 6 = 12 次。链表是有序的,但不能使用二分查找。类似二叉搜索树,我们把一些节点提取出来,作为索引。得到如下结构:
这里我们把 < 14, 34, 50, 72 > 提取出来作为一级索引,这样搜索的时候就可以减少比较次数了。我们还可以再从一级索引提取一些元素出来,作为二级索引,变成如下结构:
如果元素足够多,这种索引结构就能体现出优势来了
Redis跳跃表的实现
最左边的是 zskiplist
结构:
header
:指向跳跃表的表头节点。tail
:指向跳跃表的表尾节点。level
:记录目前跳跃表内,层数最大的那个节点的层数(表头节点的层数不计算在内)。length
:记录跳跃表的长度,也即是,跳跃表目前包含节点的数量(表头节点不计算在内)。
位于 zskiplist
结构右方的是四个 zskiplistNode
结构:
![](/qrcode.jpg)
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。前进指针用于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,连线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进行遍历时,访问会沿着层的前进指针进行。backward
:节点中用 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。score
:各个节点中的 1.0 、 2.0 和 3.0 是节点所保存的分值。在跳跃表中,节点按各自所保存的分值从小到大排列。sds
:各个节点中的 o1 、 o2 和 o3 是节点所保存的sds对象。
跳跃表节点:
//server.h
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
//保存的sds
sds ele;
//分值
double score;
// 后退指针
struct zskiplistNode *backward;
// 层
struct zskiplistLevel {
// 前进指针
struct zskiplistNode *forward;
/**
* 跨度实际上是用来计算元素排名(rank)的,
* 在查找某个节点的过程中,将沿途访过的所有层的跨度累积起来,
* 得到的结果就是目标节点在跳跃表中的排位
*/
unsigned long span;
} level[];
} zskiplistNode;
-
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。每次创建一个新跳跃表节点的时候, 程序都根据幂次定律 (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”。 -
前进指针
每个层都有一个指向表尾方向的前进指针(level[i].forward
属性), 用于从表头向表尾方向访问节点。 -
跨度
层的跨度(level[i].span 属性
)用于记录两个节点之间的距离跨度是用来计算排位(rank)的: 在查找某个节点的过程中, 将沿途访问过的所有层的跨度累计起来, 得到的结果就是目标节点在跳跃表中的排位
-
后退指针
节点的后退指针(backward
属性)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 -
分值和成员
节点的分值(score
属性)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。节点的成员(
sds
属性)是一个字符串sds
跳跃表
//server.h
typedef struct zskiplist {
// 表头节点和表尾节点
struct zskiplistNode *header, *tail;
// 表中节点的数量
unsigned long length;
// 表中层数最大的节点的层数
int level;
} zskiplist;
header
和tail
指针分别指向跳跃表的表头和表尾节点, 通过这两个指针, 程序定位表头节点和表尾节点的复杂度为O(1)
length
属性来记录节点的数量, 程序可以在O(1)
复杂度内返回跳跃表的长度level
属性则用于在O(1)
复杂度内获取跳跃表中层高最大的那个节点的层数量, 注意表头节点的层高并不计算在内
跳跃表API实现:
创建一个跳跃表节点:
//t_zset.c
/* Create a skiplist node with the specified number of levels.
* The SDS string 'ele' is referenced by the node after the call. */
zskiplistNode *zslCreateNode(int level, double score, sds ele) {
//给Node以及level数组分配内存
zskiplistNode *zn =
zmalloc(sizeof(*zn)+level*sizeof(struct zskiplistLevel));
zn->score = score;
zn->ele = ele;
return zn;
}
创建一个跳跃表:
/* Create a new skiplist. */
zskiplist *zslCreate(void) {
int j;
zskiplist *zsl;
zsl = zmalloc(sizeof(*zsl));
zsl->level = 1;
zsl->length = 0;
zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL,0,NULL);
for (j = 0; j < ZSKIPLIST_MAXLEVEL; j++) {
zsl->header->level[j].forward = NULL;
zsl->header->level[j].span = 0;
}
zsl->header->backward = NULL;
zsl->tail = NULL;
return zsl;
}
在跳跃表中插入一个节点:
/* Insert a new node in the skiplist. Assumes the element does not already
* exist (up to the caller to enforce that). The skiplist takes ownership
* of the passed SDS string 'ele'. */
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, sds ele) {
zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];
int i, level;
serverAssert(!isnan(score));
x = zsl->header;
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
/* store rank that is crossed to reach the insert position */
rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];
while (x->level[i].forward &&
(x->level[i].forward->score < score ||
(x->level[i].forward->score == score &&
sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0)))
{
rank[i] += x->level[i].span;
x = x->level[i].forward;
}
update[i] = x;
}
/* we assume the element is not already inside, since we allow duplicated
* scores, reinserting the same element should never happen since the
* caller of zslInsert() should test in the hash table if the element is
* already inside or not. */
level = zslRandomLevel();
if (level > zsl->level) {
for (i = zsl->level; i < level; i++) {
rank[i] = 0;
update[i] = zsl->header;
update[i]->level[i].span = zsl->length;
}
zsl->level = level;
}
x = zslCreateNode(level,score,ele);
for (i = 0; i < level; i++) {
x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
update[i]->level[i].forward = x;
/* update span covered by update[i] as x is inserted here */
x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;
}
/* increment span for untouched levels */
for (i = level; i < zsl->level; i++) {
update[i]->level[i].span++;
}
x->backward = (update[0] == zsl->header) ? NULL : update[0];
if (x->level[0].forward)
x->level[0].forward->backward = x;
else
zsl->tail = x;
zsl->length++;
return x;
}
在跳跃表中删除一个节点:
/* Internal function used by zslDelete, zslDeleteByScore and zslDeleteByRank */
void zslDeleteNode(zskiplist *zsl, zskiplistNode *x, zskiplistNode **update) {
int i;
for (i = 0; i < zsl->level; i++) {
if (update[i]->level[i].forward == x) {
update[i]->level[i].span += x->level[i].span - 1;
update[i]->level[i].forward = x->level[i].forward;
} else {
update[i]->level[i].span -= 1;
}
}
if (x->level[0].forward) {
x->level[0].forward->backward = x->backward;
} else {
zsl->tail = x->backward;
}
while(zsl->level > 1 && zsl->header->level[zsl->level-1].forward == NULL)
zsl->level--;
zsl->length--;
}