Redis数据结构之跳跃表-skiplist

在Redis中，zset是一个复合结构：

使用hash来存储value和score的映射关系
使用跳跃表来提供按照score进行排序的功能，同时可以指定score范围来获取value列表

结构

zset内部是一个hash字典加一个跳跃表skiplist

struct zslnode {

    string value;

    double score;

    zslnode *[]forwards; // 多层连接指针

    zslnode *backward    // 回溯指针

} zslnode;



struct zsl {

    zslnode *header;          // 跳跃表头指针

    int maxLevel;             // 跳跃表当前最高层

    map<string, zslnode*> ht; // hash结构的所有键值对

} zsl;

图为跳跃表示意图，实际上在Redis中共有64层，即最多可容纳2^64个元素。

每一个kv块即代码中zslnode，header中value为NULL值，score为Double.MIN_VALUE。kv之间使用指针链接成为双向链表，这些键值对根据score进行有序排列，不同的kv层高可能不同，层数越高则kv越少，同一层的kv之间使用指针进行串接，对于每一层的元素的遍历都是从kv header出发的。

常用操作

查找

如图所示，需要定位紫色的kv时，首先从header最高层开始进行遍历，遍历到第一个比k值小的节点，然后下降一层继续查找该层最后一个比k小的元素，依此类推，直到查找到该元素为止。

搜索时中间的一系列节点称之为搜索路径，它是从最高层一直到最底层的每一层最后一个比目标节点小的元素节点列表。

插入

插入新节点时，首先需要搜索合适的插入点，类似于查找过程找到合适节点之后就可以开始创建新的节点。创建时需要为节点随机分配一个层数，再将搜索路径上的节点和新节点通过前后指针进行串接。

如果分配的新的节点比当前跳跃表最大高度高的话，需要更新一下跳跃表的最大高度。

删除

删除过程和插入过程类似，需要先将搜索路径找出来，然后对于每一个层的相关节点，都需要重排一下前后指针，同时注意更新一下最高层数maxLevel。

更新

调用zadd方法时，如果对应的value不存在，直接进行插入；如果已经存在且只是更新score的话，需要进行更新。

如果新值的score不会带来排序位置的改变，则不需要调整位置，直接修改元素的score值即可，否则需要调整该节点位置。

Redis在更新节点位置时，采用先删除这个元素，再插入这个元素的方法，这样就不需要判断是否需要调整位置，只需要进行两次路径搜索即可。

如果`score`值一样

极端情况下，zset中所有元素的score一样，此时查找性能也不会退化为O(n)，因为zset的排序不只考虑score，如果score一样的话还会再比较value值。

计算元素排名

zset可以使用rank获取元素排名，主要是因为Redis中，对于skiplist的节点的forward指针进行了优化，给每一个forward指针添加了span属性，表示从前一个节点沿当前层的forward指针跳到当前节点时中间会跳过多少个节点。

借助span属性，在计算一个元素的排名时，只需要将搜索路径上经过的所有节点的span属性进行叠加即可计算出最终的rank值。