Redis数据结构(四) —跳跃表

最新推荐文章于 2024-07-28 21:08:41 发布

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本文介绍了跳跃表（skiplist），它是有序数据结构，通过多指针快速访问节点，支持平均O(logN)、最坏O(n)复杂度的节点查找。Redis在特定情况下用其作为有序集合键的底层实现。还阐述了跳跃表的两个结构定义及各部分功能的具体实现。

跳跃表

跳跃表(skiplist)是一种有序的数据结构, 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(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

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

跳跃表的实现

跳跃表由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, 而zskiplist结构则用来保存跳跃表的相关信息, 比如节点的数量, 指向表头节点和表尾节点的指针等

zskiplist结构:

typedef struct zskiplist {
    
 	//表头节点和表尾节点
    struct skiplistNode *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 : 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(不包括表头节点的层数)
length : 记录跳跃表的长度, 也就是跳跃表的节点个数(不包括头结点)

zskiplistNode结构:

typedef struct zskiplistNode {
    
    //后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    
    //分值
    double score;
    
    //成员对象
    robj *obj;
        
    //层
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned int span;
        } level[];
   
}zskiplistNode;

层(level) : 节点中用L1,L2,L3等字样标记节点的各个层, L1表示第一层, L2表示第二层, 以此类推. 每层都带有两个属性 : 前进指针和跨度. 前进指针用来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
后退(backward)指针 : 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
分值(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, 节点按各自保存的分值从小到大排列
成员对象(obj) : 各个节点所保存的成员对象

在这里插入图片描述

上图是一个跳跃表的结构图示, 下面就几个方便具体讲一下跳跃表部分功能的具体实现

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; 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, 越大的数出现概率越小) 随机产生一个介于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 : 用于从表头向表尾方向访问节点
跨度 : 用于记录两个节点间的距离, 实际上用来计算排位(rank), 在查找某个节点的过成功,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 : 用于从表尾到表头访问节点,由于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 : 分值是一个double类型的数据, 跳跃表的所有节点都按分值从小到大排序; 节点的成员对象是一个指针, 它指向一个字符串对象, 而字符串对象则保存着一个SDS值; 同一个跳跃表中, 各个节点保存的成员对象必须是唯一的, 但是多个节点保存的分值却可以是相同的 : 分值相同的节点将按照成员对象在字典序中的大小来进行排序.