redis源码学习--数据结构：跳跃表设计和实现

最新推荐文章于 2025-05-14 22:27:35 发布

Carson_zhong

最新推荐文章于 2025-05-14 22:27:35 发布

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文章标签： c语言 redis

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/dmgy614262711/article/details/107593225

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本文深入探讨跳跃表的工作原理，及其在Redis中的应用。跳跃表作为一种高效的数据结构，能够提供快速查找，平均时间复杂度为O(logN)，并且实现比平衡树更简单。文章详细解析了跳跃表的层级设计，随机层数生成，以及在Redis中如何利用跳跃表进行有序集合的操作。

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跳跃表可以方便实现有序存储，可以理解为链表的升级版。所以通过二分查找，可以实现平均O(logN)，最坏O(N)的复杂度查找。据说大部分情况可以和平衡树相媲美，但是实现更为简单。
先学习跳跃表的原理，可以参考：跳跃表的原理及实现
总结几点就是：
1、层是为了方便实现二分查找设计的
2、理想情况下x层的元素数量是x+1层元素数量的2倍。0层保存了所有的节点，1层保存了0层奇数序的节点(也可以是偶数序)，2层保存了1层奇数序的节点。理想情况下层数(不包含0层)和元素数量是2的指数关系，即为了最理想的实现二分查找，如果链表的层数是3(不包含0层)，那么最理想的情况是支持元素数量为2^3=8个元素。
3、软件上一般使用随机数来确认新增节点的层数。
4、如果只有层0，那就是普通的有序链表。

redis中跳跃表的结构如下，加入了一个后向指针(指向表头的方向)。使用了柔性数组，层数可变。层数越多，表示跳跃的越精细，更有利于查找。没个节点的level可以不一样，redis使用的是随机数生成的层数，最大为64，可以支持2^64个节点。

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;                          // 可以认为是真正要保存的数据
    double score;                     // 数值 依赖该值来排序
    struct zskiplistNode *backward;   // 后向指针
    struct zskiplistLevel {         
        struct zskiplistNode *forward; // 前向指针
        unsigned long span;            // 前向指针指向的节点和当前节点的跨度
    } level[];                         // 1个前向指针和跨度表示1层
} zskiplistNode;

下面是管理跳跃表的结构(非表头)，表头的结构也是zskiplistNode，只不过只用到了level。

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail; // 指向表头和表尾
    unsigned long length;                // 表中节点的数量，不包含表头
    int level;                           // 表中元素层最多的层，不包含表头

redis跳跃表的源码在src\t_zset.c中。
跳跃表的创建即对以上的结构体赋初值。创造管理节点和表头节点，表头节点层数为最大值。

/* 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;
}

跳跃表难点是插入，插入分两步：
1、找到需要插入的位置，计算出插入节点在每层forward和span
2、生成新节点并插入，0层是所有节点必须有的层，跨度固定为1。

/* 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;
    // 确认score是否是数值
    serverAssert(!isnan(score));
    // 找到需要插入的位置，计算出插入节点在每层forward和span
    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. */
    /*
     * 如果层数大于当前最大的层数，需要处理多出的层数据
    */
    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;
}