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Redis底层数据结构--跳跃表

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1.简介

跳跃表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。

在大部分情况下,跳跃表的效率可以和平衡树相媲美,并且因为跳跃表的实现比平衡树更简单,所以有不少程序都是使用跳跃表来代替平衡树。

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就会使用跳跃表作为有序集合键的底层实现。

Redis只在两个地方用到了跳跃表,一个是实现有序集合键,另一个是在集群节点中用作内部数据结构。

2.实现

2.1 zskiplistNode结构定义

typedef struct zskiplistNode{
    //层
    struct askiplistLevel{
        //前进指针
        struct zskiplistNode *forward;
        //跨度
        unsigned int span;
    } level[];
    //后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    //分值
    double score;
    //成员对象
    robj *obj; 
} zskiplistNode;
2.1.1 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,可以通过这些层来加快访问其他节点的速度,一般来说,层的数量越多,访问其他节点的速度就越快。

每次创建一个新跳跃表节点的时候,都根据幂次定律(越大的数出现的概率越小)随机生成一个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”。

下图分别展示了三个高度为1层、3层和5层的节点:
01.png

2.1.2 前进指针

每个层都有一个指向表尾方向的前进指针(level[i].forward),用于从表头向表尾方向访问加点。下图用虚线表示了从头向表尾方向,遍历跳跃表所有节点的路径:
02.png

2.1.3 跨度

层的跨度(level[i].span)用于记录两个节点之间的距离:

  • 两个节点之间跨度越大,他们相距得就越远;
  • 指向NULL的所有前进指针的跨度都为0,因为他们没有连向任何节点。

跨度是用来计算排位的:在查找某个节点的过程中,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。

举个例子,下图用虚线标记了跳跃表中查找分值为3.0、成员对象为o3的节点时,查找过程中只经过了一个层,并且层的跨度为3,所以目标节点在跳跃表中的排位为3。
03.png

2.1.4 后退指针

节点的后退指针用于从表尾向表头访问节点:跟可以一次跳过多个节点的前进指针不同,因为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。

2.1.5 分值和成员

节点的分值是一个double类型的浮点数,跳跃表中的所有节点都按从小到大来排序。

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了一个SDS值。

在同一个跳跃表中,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是可以是相同的,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,成员对象较小的节点会排在前面(靠近表头的方向),而成员对象较大的节点则会排在后面(靠近表尾的方向)。

如下图,展示了相同分值的节点在跳跃表中的排序位置:
04.png

3.跳跃表

Redis中通过使用一个zskiplist结构来持有跳跃表节点,可以更方便地对整个跳跃表进行处理,比如快速访问表头和表尾节点,或者快速地获取跳跃表节点的数量等信息,zskiplist结构定义如下:

typedef struct zskiplist{
    //表头和表尾
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    //节点数量
    unsigned long length;
    //层数最大的节点层数
    int level;
} zskiplist;

如下图,带有zskiplist结构的跳跃表
05.png

参考书籍:《Redis设计与实现》

原创文章,作者:纸飞机-JAVA追梦,如若转载,请注明出处:https://www.zfjsec.com/1924.html
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