Redis 底层数据结构之跳跃表

文章参考

《Redis 设计与实现》黄建宏

Redis(2) 跳跃表

跳跃表

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，平均复杂度 O(logN)、最坏 O(N)

Redis 使用跳表作为有序集合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， 或者有序集合中成员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。

另一个使用跳表的事集群节点中用作内部数据结构。

• 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（表头节点不计算在内）
• length 记录跳跃表的长度，也就是目前节点的数量

跳跃表节点 zskiplistNode

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

   每次创建一个新的跳跃表节点时候，随机生成 1～32 之间的值作为 level 数组的大小，即层的高度

2. 前进指针

   每个层都有一个指向表尾方向的前进指针 forward，用于遍历到结尾

3. 跨度

   span属性用于记录两个节点之间的距离：两个节点跨度越大，它们相距得越远，

4. 后退指针

   后退指针用于从表尾向表头访问节点（和 forward 不同，每次只能后退一个节点）

5. 分值和成员

   节点都按分值从小到大排序

   节点的成员对象 obj 指向一个 SDS 字符串

跳跃表

多个跳跃表节点可以组成一个跳跃表

typedef struct zskiplist {
  // 表头和表尾节点
  struct skiplistNode *header, *tail;
  // 表中节点的数量
  unsigned long length;
  // 表中层数最大节点的层数
  int level;
} zskiplist;

header 和 tail 指针能让定位 表头和表尾 复杂度为 O(1)

length 让程序可以在 O(1) 复杂度返回跳跃表长度。

跳跃表的查找过程

比如我们想要查找 7，查找的路径则是沿着下图中标注出红色指针所指的方向进行的（每次查找都是从最高的 level 开始）：

跳跃表的创建过程

从上面的创建和插入的过程中可以看出，每一个节点的层数（level）是随机出来的，而且新插入一个节点并不会影响到其他节点的层数，因此，插入操作只需要修改节点前后的指针，而不需要对多个节点都进行调整，这就降低了插入操作的复杂度。