redis 跳跃表

骑猪看日落 2022-07-15 10:39 137阅读 0赞

## 跳跃表 ##

*  跳跃表是有序集合的底层实现之一， 除此之外它在 Redis 中没有其他应用。
 *  Redis 的跳跃表实现由 zskiplist 和 zskiplistNode 两个结构组成， 其中 zskiplist 用于保存跳跃表信息（比如表头节点、表尾节点、长度）， 而 zskiplistNode 则用于表示跳跃表节点。
 *  每个跳跃表节点的层高都是 1 至 32 之间的随机数。
 *  在同一个跳跃表中， 多个节点可以包含相同的分值， 但每个节点的成员对象必须是唯一的。
 *  跳跃表中的节点按照分值大小进行排序， 当分值相同时， 节点按照成员对象的大小进行排序。

跳跃表是一种随机化的数据，由 William Pugh 在论文《Skip lists: a probabilistic alternative to balanced trees》中提出， 这种数据结构以有序的方式在层次化的链表中保存元素， 它的效率可以和平衡树媲美 —— 查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成， 并且比起平衡树来说， 跳跃表的实现要简单直观得多。

跳跃表（[维基百科][Link 1]）：  
![QQ_E6_88_AA_E5_9B_BE20130406203753.jpg][]

从图中可以看到， 跳跃表主要由以下部分构成：

* 表头（head）：负责维护跳跃表的节点指针。
 * 跳跃表节点：保存着元素值，以及多个层。
 * 层：保存着指向其他元素的指针。高层的指针越过的元素数量大于等于低层的指针，为了提高查找的效率，程序总是从高层先开始访问，然后随着元素值范围的缩小，慢慢降低层次。
 * 表尾：全部由 
 * 允许重复的 member 的 score 值，还要检查 score 值可以重复时，单靠 member 域都一并检查才行。
 * 每个节点都带有一个高度为 1 层的后退指针，用于从表尾方向向表头方向迭代：当执行 [*ZREVRANGEBYSCORE*][ZREVRANGEBYSCORE] 这类以逆序处理有序集的命令时，就会用到这个属性。
 
 这个修改版的跳跃表由 redis.h/zskiplistNode 定义：  
 
 
 typedef  struct zskiplistNode \{ 
 
      //  member 对象 
     robj \*obj; 
 
      //  分值 
      double score; 
 
      //  后退指针 
      struct zskiplistNode \*backward; 
 
      //  层 
      struct zskiplistLevel \{ 
 
          //  前进指针 
          struct zskiplistNode \*forward; 
 
          //  这个层跨越的节点数量 
         unsigned  int span; 
 
     \} level\[\]; 
 
 \} zskiplistNode;
 
 以下是操作这两个数据结构的 API ，它们的作用以及相应的算法复杂度：
 
 <table style="border:0px; border-collapse:collapse"> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th style="padding:1px 8px 1px 5px; border-width:0px 0px 1px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 函数</th> 
 <th style="padding:1px 8px 1px 5px; border-width:0px 0px 1px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 作用</th> 
 <th style="padding:1px 8px 1px 5px; border-width:0px 0px 1px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 复杂度</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> zslFreeNode</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 释放给定的跳跃表节点</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 最坏&nbsp; O(1) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> zslFree</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 释放给定的跳跃表</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 最坏&nbsp; O(N) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> score&nbsp;和&nbsp;zslDeleteNode</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 删除给定的跳跃表节点</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 最坏&nbsp; O(N) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> member&nbsp;和&nbsp;zslFirstInRange</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 找到跳跃表中第一个符合给定范围的元素</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 最坏&nbsp; O(N) &nbsp;平均&nbsp; O(logN) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> zslDeleteRangeByScore</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 删除&nbsp;zslDeleteRangeByRank</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 删除给定排序范围内的所有节点</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 最坏&nbsp; O(N2) </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> zslGetElementByRank</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 根据给定排位，返回该排位上的元素节点</td> 
 <td style="padding:1px 8px 1px 5px; border-top-width:0px; border-right-width:0px; border-left-width:0px; border-bottom-style:solid; border-bottom-color:rgb(170,170,170)"> 最坏&nbsp; O(N) &nbsp;平均&nbsp; O(logN) </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
 </table>
 
 ## ##
 
 ## 跳跃表的应用 ##
 
 和字典、链表或者字符串这几种在 Redis 中大量使用的数据结构不同， 跳跃表在 Redis 的唯一作用， 就是实现有序集数据类型。
 
 跳跃表将指向有序集的 member 域的指针作为元素， 并以 score 值为索引， 对有序集元素进行排序。
 
 举个例子， 以下代码就创建了一个带有 3 个元素的有序集：
 * redis> ZADD s 6 x 10 y 15 z 
 (integer) 3 
 
 redis> ZRANGE s 0 \-1 WITHSCORES 
 1) "x" 
 2) "6" 
 3) "y" 
 4) "10" 
 5) "z" 
 6) "15"

在底层实现中， Redis 为  y  和  member  分别创建了三个字符串， 并为  10  和  double  类型的值， 然后用一个跳跃表将这些指针有序地保存起来， 形成这样一个跳跃表：   
![QQ_E6_88_AA_E5_9B_BE20130406204357.jpg][]

为了展示的方便， 在图片中我们直接将 score 值包含在表节点中， 但是在实际的定义中， 因为跳跃表要和另一个实现有序集的结构（字典）分享 score 值， 所以跳跃表只保存指向 score 的指针。 更详细的信息，请参考《*有序集*》章节。

## 小结 ##

*  跳跃表是一种随机化数据结构，它的查找、添加、删除操作都可以在对数期望时间下完成。
 *  跳跃表目前在 Redis 的唯一作用就是作为有序集类型的底层数据结构（之一，另一个构成有序集的结构是字典）。
 *  为了适应自身的需求，Redis 基于 William Pugh 论文中描述的跳跃表进行了修改，包括：
    
    1.  score 和 memeber 。
    2.  每个节点带有高度为 1 层的后退指针，用于从表尾方向向表头方向迭代。

[Link 1]: http://en.wikipedia.org/wiki/Skip_list
[QQ_E6_88_AA_E5_9B_BE20130406203753.jpg]: http://www.cppblog.com/images/cppblog_com/mysileng/QQ%E6%88%AA%E5%9B%BE20130406203753.jpg
[ZREVRANGEBYSCORE]: http://redis.readthedocs.org/en/latest/sorted_set/zrevrange.html#zrevrange
[QQ_E6_88_AA_E5_9B_BE20130406204357.jpg]: http://www.cppblog.com/images/cppblog_com/mysileng/QQ%E6%88%AA%E5%9B%BE20130406204357.jpg