关于redis:闲扯Redis十Redis-跳跃表的结构实现

一、前言

Redis 提供了 5 种数据类型：String（字符串）、Hash（哈希）、List（列表）、Set（汇合）、Zset（有序汇合），了解每种数据类型的特点对于 redis 的开发和运维十分重要。

<p align=”right”> 原文解析 </p>

备注： 依照剖析程序，本节应该说道有序汇合对象了，然而思考到有序汇合对象的底层实现中应用到了跳跃表构造，防止在剖析有序汇合时造成突兀，所以本节先来看看 redis 中跳跃表构造的具体实现。

二、构造解析

 Redis 的跳跃表由 redis.h/zskiplistNode 和 redis.h/zskiplist 两个构造定义，其中 zskiplistNode 构造用于示意跳跃表节点，而 zskiplist 构造则用于保留跳跃表节点的相干信息，比方节点的数量，以及指向表头节点和表尾节点的指针等。

 图 5-1 展现了一个跳跃示意例，位于图片最右边的是 zskiplist 构造，该构造蕴含以下属性：

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，跳跃表目前蕴含节点的数量（表头节点不计算在内）。

 zskiplist 构造左边的是四个 zskiplistNode 构造，该构造蕴含以下属性：

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，以此类推。每个层都带有两个属性：后退指针和跨度。后退指针用于拜访位于表尾方向的其余节点，而跨度则记录了后退指针所指向节点和以后节点的间隔。在下面的图片中，连线上带有数字的箭头就代表 > 后退指针，而那个数字就是跨度。当程序从表头向表尾进行遍历时，拜访会沿着层的后退指针进行。

后退指针（backward）：节点中用 BW 字样标记节点的后退指针，它指向位于以后节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时应用。

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

成员对象（obj）：各个节点中的 o1、o2 和 o3 是节点所保留的成员对象。
留神表头节点和其余节点的结构是一样的：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局部，只显示了表头节点的各个层。

1. 跳跃表节点构造

跳跃表节点实现由 redis.h/zskiplistNode 构造定义：

typedef struct zskiplistNode {

    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;

    // 分值
    double score;

    // 成员对象
    robj *obj;

    // 层
    struct zskiplistLevel {

        // 后退指针
        struct zskiplistNode *forward;

        // 跨度
        unsigned int span;

    } level[];} zskiplistNode;

层的定义

跳跃表节点的 level 数组能够蕴含多个元素，每个元素都蕴含一个指向其余节点的指针，程序能够通过这些层来放慢拜访其余节点的速度，一般来说，层的数量越多，拜访其余节点的速度就越快。

每次创立一个新跳跃表节点的时候，程序都依据幂次定律（power law，越大的数呈现的概率越小）随机生成一个介于 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”。

图 5-2 别离展现了三个高度为 1 层、3 层和 5 层的节点，因为 C 语言的数组索引总是从 0 开始的，所以节点的第一层是 level[0]，而第二层是 level[1]，以此类推。

后退指针

每个层都有一个指向表尾方向的后退指针（level[i].forward 属性），用于从表头向表尾方向拜访节点。

图 5-3 用虚线示意出了程序从表头向表尾方向，遍历跳跃表中所有节点的门路：

迭代程序首先拜访跳跃表的第一个节点（表头），而后从第四层的后退指针挪动到表中的第二个节点。
在第二个节点时，程序沿着第二层的后退指针挪动到表中的第三个节点。
在第三个节点时，程序同样沿着第二层的后退指针挪动到表中的第四个节点。
当程序再次沿着第四个节点的后退指针挪动时，它碰到一个 NULL，程序晓得这时曾经达到了跳跃表的表尾，于是完结这次遍历。

层的跨度

层的跨度（level[i].span 属性）用于记录两个节点之间的间隔：

两个节点之间的跨度越大，它们相距得就越远。
指向 NULL 的所有后退指针的跨度都为 0，因为它们没有连向任何节点。
初看上去，很容易认为跨度和遍历操作无关，但实际上并不是这样，遍历操作只应用后退指针就能够实现了，跨度实际上是用来计算排位（rank）的：在查找某个节点的过程中，将沿途拜访过的所有层的跨度累计起来，失去的后果就是指标节点在跳跃表中的排位。

例如，图 5-4 用虚线标记了在跳跃表中查找分值为 3.0、成员对象为 o3 的节点时，沿途经验的层：查找的过程只通过了一个层，并且层的跨度为 3，所以指标节点在跳跃表中的排位为 3。

例如，图 5-5 用虚线标记了在跳跃表中查找分值为 2.0、成员对象为 o2 的节点时，沿途经验的层：在查找节点的过程中，程序通过了两个跨度为 1 的节点，因而能够计算出，指标节点在跳跃表中的排位为 2。

后退指针

节点的后退指针（backward 属性）用于从表尾向表头方向拜访节点：跟能够一次跳过多个节点的后退指针不同，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。
图 5-6 用虚线展现了如果从表尾向表头遍历跳跃表中的所有节点：程序首先通过跳跃表的 tail 指针拜访表尾节点，而后通过后退指针拜访倒数第二个节点，之后再沿着后退指针拜访倒数第三个节点，再之后遇到指向 NULL 的后退指针，于是拜访完结。

分值与成员

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，而字符串对象则保留着一个 SDS（ 简略动静字符串 ，后面剖析过）值。

在同一个跳跃表中，各个节点保留的成员对象必须是惟一的，然而多个节点保留的分值却能够是雷同的：分值雷同的节点将依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后面（凑近表头的方向），而成员对象较大的节点则会排在前面（凑近表尾的方向）。

例如，在图 5-7 所示的跳跃表中，三个跳跃表节点都保留了雷同的分值 10086.0，但保留成员对象 o1 的节点却排在保留成员对象 o2 和 o3 的节点之前，而保留成员对象 o2 的节点又排在保留成员对象 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。

2. 跳跃表构造

尽管仅靠多个跳跃表节点就能够组成一个跳跃表，如图 5-8 所示。

但通过应用一个 zskiplist 构造来持有这些节点，程序能够更不便地对整个跳跃表进行解决，比方快速访问跳跃表的表头节点和表尾节点，又或者疾速地获取跳跃表节点的数量（也即是跳跃表的长度）等信息，如图 5-9 所示。

zskiplist 构造的定义如下：

typedef struct zskiplist {

    // 表头节点和表尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;

    // 表中节点的数量
    unsigned long length;

    // 表中层数最大的节点的层数
    int level;

} zskiplist;

如图：

header 和 tail 指针别离指向跳跃表的表头和表尾节点，通过这两个指针，程序定位表头节点和表尾节点的复杂度为 O(1)。

通过应用 length 属性来记录节点的数量，程序能够在 O(1) 复杂度内返回跳跃表的长度。level 属性则用于在 O(1) 复杂度内获取跳跃表中层高最大的那个节点的层数量，留神表头节点的层高并不计算在内。

三、跳跃表 API 操作

 以表格的模式列出了跳跃表的 API 操作，以及 API 的工夫复杂度。

四、要点总结

（1）跳跃表是有序汇合的底层实现之一，除此之外它在 Redis 中没有其余利用。

（2）Redis 的跳跃表实现由 zskiplist 和 zskiplistNode 两个构造组成，其中 zskiplist 用于保留跳跃表信息（比方表头节点、表尾节点、长度），而 zskiplistNode 则用于示意跳跃表节点。

（3）每个跳跃表节点的层高都是 1 至 32 之间的随机数。

（4）在同一个跳跃表中，多个节点能够蕴含雷同的分值，但每个节点的成员对象必须是惟一的。

（5）跳跃表中的节点依照分值大小进行排序，当分值雷同时，节点依照成员对象的大小进行排序。