Redis中的跳跃表深入理解

  跳跃表(skiplist)是一种有序数据结构,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,还可以通过顺序性操作来批量处理节点。

  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要来得更为简单,所以有不少程序都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(member)是比较长的字符串时,Redis就会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现。

  和链表、字典等数据结构被广泛地应用在Redis内部不同,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,除此之外,跳跃表在Redis里面没有其他用途。

跳跃表的实现

  Redis的跳跃表由redis.h/zskiplistNode和redis.h/zskiplist两个结构定义,其中zskiplistNode结构用于表示跳跃表节点,而zskiplist结构则用于保存跳跃表节点的相关信息,比如节点的数量,以及指向表头节点和表尾节点的指针等等。

一个跳跃表

  上图展示了一个跳跃表示例,位于图片最左边的是zskiplist结构,该结构包含以下属性:

header:指向跳跃表的表头节点

tail:指向跳跃表的表尾节点

level:记录目前跳跃表内,层数最大的那个节点的层数(表头节点的层数不计算在内)

length:记录跳跃表的长度,也即是,跳跃表目前包含节点的数量(表头节点不计算在内)

  位于zskiplist结构右方的是四个zskiplistNode结构,该结构包含以下属性:

层(level):节点中用L1、L2、L3等字样标记节点的各个层,L1代表第一层,L2代表第二层,依次类推。每个层都带有两个属性:前进指针和跨度。前进指针用于访问位于表尾方向的其他节点,而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。在上面的图片中,连线上带有数字的箭头就代表前进指针,而那个数字就是跨度。当程序从表头向表尾进行遍历时,访问会沿着层的前进指针进行。

后退(backward)指针:节点中用BW字样标记节点的后退指针,它指向位于当前节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。

分值(score):各个节点中的1.0、2.0和3.0是节点所保存的分值。在跳跃表中,节点按各自所保存的分值从小到大排列。

成员对象(obj):各个节点中的o1、o2和o3是节点所保存的成员对象。

  注意表头节点和其他节点的构造是一样的:表头节点也有后退指针、分值和成员对象,不过表头节点的这些属性都不会被用到,所以图中省略了这些部分,只显示了表头节点的各个层。

跳跃表节点

  跳跃表节点的实现由redis.h/zskiplistNode结构定义:

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */ typedef struct zskiplistNode { robj *obj; /*成员对象*/ double score; /*分值*/ struct zskiplistNode *backward; /*后退指针*/ struct zskiplistLevel { /*层*/ struct zskiplistNode *forward; /*前进指针*/ unsigned int span; /*跨度*/ } level[]; } zskiplistNode;

  1、分值和成员

  节点的分值(score属性)是一个double类型的浮点数,跳跃表中的所有节点都按分值从小到大来排序。

  节点的成员对象(obj属性)是一个指针,它指向一个字符串对象,而字符串对象则保存着一个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却可以是相同的:分至相同的节点将按照成员对象在字典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)。

  举个例子,在下图中所示的跳跃表中,三个跳跃表节点都保存了相同的分值10086.0,但保存成员对象o1的节点却排在保存成员对象o2和o3的节点的前面,而保存成员对象o2的节点又排在保存成员对象o3的节点之前,由此可见,o1、o2、o3三个成员对象在字典中的排序为o1<=o2<=o3。

三个带有相同分值的跳跃表节点

  2、后退指针

内容版权声明:除非注明,否则皆为本站原创文章。

转载注明出处:https://www.heiqu.com/3df84e3883f19b7efe2615ad11417d33.html