【Redis-6.0.8】Redis中的跳表

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redis为什么没有选择红黑树

1.简介

1.1 从有序链表到分层有序链表

如果想要找到7这个元素，需要进行7次比较，时间复杂度为O(N)，有序链表的插入和删除操作都需要先找到合适
的位置再修改next指针，修改操作基本不消耗时间，所以插入、删除、修改有序链表的耗时主要在查找元素上.

从索引层2开始比较，与1比较，与5比较，然后在索引层1中于7比较，查询到结果,
一共经历3次比较.
图1.2中的绿色箭头就是比较路径,本例中比图1.1中的方法少了4次比较.
现在的数据量很小，可能优势还不是很明显，当数据量大时，优势会很明显.

1.2 跳表思路

通过将有序集合的部分节点分层，由最上层开始依次向后查找，如果本层的next节点大于要查找的值或next节点
为NULL，则从本节点开始，降低一层继续向后查找，依次类推，如果找到则返回节点；否则返回NULL。采用该原
理查找节点，在节点数量比较多时，可以跳过一些节点，查询效率大大提升，这就是跳跃表的基本思想。

1.3 跳表的性质

2.跳表的设计与性质

受启发于分层有序列表，redis对其内部的跳表进行如下设计：

2.1 跳跃表节点(zskiplistNode)设计

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;// 用于存储字符串类型的数据
    double score;// 用于存储排序的分值
    /*后退指针，只能指向当前节点最底层的前一个节点，头节点和第一个节点的backward指向NULL，从后向前遍历跳跃表时使用*/
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned long span;
    } level[];//为柔性数组，每个节点的数组长度不一样，在生成跳跃表节点时，随机生成一个1～32的值，值越大出现的概率越低
} zskiplistNode;

2.2 跳跃表(zskiplist)设计

typedef struct zskiplist {
    /*
    header：
    指向跳跃表头节点。头节点是跳跃表的一个特殊节点，
    它的level数组元素个数在本版本中为32.头节点在有序集合中不存储任何member和score值，
    ele值为NULL, score值为0；也不计入跳跃表的总长度.
    头节点在初始化时，32个元素的forward都指向NULL, span值都为0.
    初始化代码为zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL,0,NULL);
    tail:
    指向跳跃表尾节点
    */
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;// 跳跃表长度，表示除头节点之外的节点总数
    int level;// 跳跃表的高度
} zskiplist;

2.3 举个最简单的栗子

 

2.4 跳跃表的性质

从图2.3中我们可以看出跳跃表有如下性质.
(1)跳跃表由很多层构成;
(2)跳跃表有一个头节点header，头节点中有一个32层(redis5中是64层)的结构,每层的结构包含指向本层
的下个节点的指针，指向本层下个节点中间所跨越的节点个数为本层的跨度span;
(3)除头节点外，层数最多的节点的层高为跳跃表的高度level,图2.3中跳跃表的高度为2;
(4)每层都是一个有序链表，数据递增;
(5)除header节点外，一个元素在上层有序链表中出现，则它一定会在下层有序链表中出现;
(6)跳跃表每层最后一个节点指向NULL，表示本层有序链表的结束;
(7)跳跃表拥有一个tail指针，指向跳跃表最后一个节点;
(8)最底层的有序链表包含所有节点，最底层的节点个数为跳跃表的长度length,不包括头节点,图2.3中跳跃表的长度为3;
(9)每个节点包含一个后退指针，头节点和第一个节点指向NULL；其他节点指向最底层的前一个节点.

跳跃表每个节点维护了多个指向其他节点的指针，所以在跳跃表进行查找、插入、删除操作时可以跳过一些节
点，快速找到操作需要的节点.归根结底，跳跃表是以牺牲空间的形式来达到快速查找的目的.跳跃表与平衡树相
比，实现方式更简单，只要熟悉有序链表，就可以轻松地掌握跳跃表.

3.基本操作

3.1 创建跳跃表

3.1.1 节点层高

节点层高的最小值为1，最大值是ZSKIPLIST_MAXLEVEL, Redis6.0.8中节点层高的值为32.

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32 /* Should be enough for 2^64 elements */
#define ZSKIPLIST_P 0.25      /* Skiplist P = 1/4 */

Redis通过zslRandomLevel函数随机生成一个1～64的值，作为新建节点的高度，值越大出现的概率越低。节点层高确定之后便不会再修改。生成随机层高的代码如下。

/* Returns a random level for the new skiplist node we are going to create.
 * The return value of this function is between 1 and ZSKIPLIST_MAXLEVEL
 * (both inclusive), with a powerlaw-alike distribution where higher
 * levels are less likely to be returned. */
int zslRandomLevel(void) {
    int level = 1;
    while ((random()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))
        level += 1;
    return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}

 

头结点的创建

/* 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) {
    zskiplistNode *zn =
        zmalloc(sizeof(*zn)+level*sizeof(struct zskiplistLevel));
    zn->score = score;
    zn->ele = ele;
    return zn;
}

/* 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;
}

4.跳跃表的应用

4.1 有序集合的底层数据结构是跳表或者是压缩列表

在Redis中，跳跃表主要应用于有序集合的底层实现（有序集合的另一种实现方式为压缩列表）。Redis的配置文件中关于有序集合底层实现的两个配置。

1）zset-max-ziplist-entries 128:zset采用压缩列表时，元素个数最大值。默认值为128。

2）zset-max-ziplist-value 64:zset采用压缩列表时，每个元素的字符串长度最大值。默认值为64。

zset添加元素的主要逻辑位于t_zset.c的zaddGenericCommand函数中。zset插入第一个元素时，会判断下面两种条件：

❏ zset-max-ziplist-entries的值是否等于0；

❏ zset-max-ziplist-value小于要插入元素的字符串长度。

满足任一条件Redis就会采用跳跃表作为底层实现，否则采用压缩列表作为底层实现方式.

/* Lookup the key and create the sorted set if does not exist. */
    zobj = lookupKeyWrite(c->db,key);
    if (zobj == NULL) {
        if (xx) goto reply_to_client; /* No key + XX option: nothing to do. */
        if (server.zset_max_ziplist_entries == 0 ||
            server.zset_max_ziplist_value < sdslen(c->argv[scoreidx+1]->ptr))
        {
            zobj = createZsetObject();
        } else {
            zobj = createZsetZiplistObject();
        }
        dbAdd(c->db,key,zobj);
    } else {
        if (zobj->type != OBJ_ZSET) {
            addReply(c,shared.wrongtypeerr);
            goto cleanup;
        }
    }

typedef struct zset {
    dict *dict;// 字典成员，可以快速搜索到这个节点，O(1)
    zskiplist *zsl; // O(logn)
} zset;

4.2 判断底层数据结构的命令object encoding