Redis数据结构-跳跃表 skiplist

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

  1. **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。

  2. **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。

  3. **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:

  • **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。

  • **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。

  • **头节点**:跳跃表的头节点不存储实际数据,用于标记起点。

  • **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

  1. 选择随机层数。

  2. 在每层中找到插入位置,更新前向指针和后向指针。

  3. 插入节点,调整跨度。

查找

  1. 从最高层开始,逐层向下查找。

  2. 比较节点值,决定前进或下降到下一层。

删除

  1. 找到要删除的节点。

  2. 更新每层中的前向指针和后向指针。

  3. 释放节点。

性能优势

  • **高效查找**:跳跃表可以在O(log n)时间复杂度内进行查找。

  • **动态更新**:插入和删除操作都能在O(log n)时间内完成。

  • **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

  • **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。

  • **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。

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