跳跃表(Skiplist)是一种用于高效查找的概率型数据结构,它在插入、删除、搜索操作上具有较高的性能,接近于平衡树。Redis使用跳跃表来实现有序集合(sorted sets)中的范围查询。
跳跃表的基本结构
跳跃表在单向链表的基础上增加了多级索引,每一层都是一个按元素大小有序的链表,最底层(第0层)包含所有元素,而上面的每一层都是下层元素的子集。通过这些层次索引,跳跃表可以在O(log n)时间复杂度内进行查找。
跳跃表的特点
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**多层链表**:底层是包含所有节点的链表,上层链表按一定概率包含底层的一部分节点。
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**概率平衡**:通过随机函数决定节点是否提升到更高一层,从而在概率上保证了平衡性。
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**快速查找**:在多层链表中进行查找,通常能迅速跳过大量无关节点。
Redis中的跳跃表实现
Redis中的跳跃表实现如下:
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**节点结构**:每个节点包含值、层级信息、前向指针和后向指针。层级信息决定该节点在多少层上存在。
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**层级结构**:每层包含前向指针和跨度,跨度表示当前层从一个节点跳到下一个节点需要跨越的节点数量。
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**头节点**:跳跃表的头节点不存储实际数据,用于标记起点。
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**尾节点**:尾节点同样不存储实际数据,用于标记终点。
代码示例
下面是一个跳跃表的简单实现示例:
```c
typedef struct skiplistNode {
double score;
robj *obj;
struct skiplistNode *backward;
struct skiplistLevel {
struct skiplistNode *forward;
unsigned int span;
} level[];
} skiplistNode;
typedef struct skiplist {
struct skiplistNode *header, *tail;
unsigned long length;
int level;
} skiplist;
```
操作
插入
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选择随机层数。
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在每层中找到插入位置,更新前向指针和后向指针。
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插入节点,调整跨度。
查找
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从最高层开始,逐层向下查找。
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比较节点值,决定前进或下降到下一层。
删除
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找到要删除的节点。
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更新每层中的前向指针和后向指针。
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释放节点。
性能优势
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**高效查找**:跳跃表可以在O(log n)时间复杂度内进行查找。
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**动态更新**:插入和删除操作都能在O(log n)时间内完成。
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**简单实现**:相比平衡树,跳跃表实现相对简单,且容易调整。
应用场景
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**有序集合**:Redis中的有序集合使用跳跃表来支持范围查询和排名操作。
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**缓存**:高效的查找和更新操作使跳跃表适合用于缓存系统。
跳跃表结合了链表和树的优点,是一种灵活且高效的数据结构,特别适用于需要频繁查找和更新的场景。