关于redis:闲扯Redis十Redis-跳跃表的结构实现

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。

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。

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。

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;

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。

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（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。

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。

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。

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。

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。

函数	作用	工夫复杂度
zslCreate	创立一个新的跳跃表。	O(1)
zslFree	开释给定跳跃表，以及表中蕴含的所有节点。	O(N)，N 为跳跃表的长度。
zslInsert	将蕴含给定成员和分值的新节点增加到跳跃表中。	均匀 O(log N)，最坏 O(N)，N 为跳跃表长度。
zslDelete	删除跳跃表中蕴含给定成员和分值的节点。	均匀 O(log N)，最坏 O(N)，N 为跳跃表长度。
zslGetRank	返回蕴含给定成员和分值的节点在跳跃表中的排位。	均匀 O(log N)，最坏 O(N)，N 为跳跃表长度。
zslGetElementByRank	返回跳跃表在给定排位上的节点。	均匀 O(log N)，最坏 O(N)，N 为跳跃表长度。
zslIsInRange	给定一个分值范畴（range），比方 0 到 15，20 到 28，诸如此类，如果给定的分值范畴蕴含在跳跃表的分值范畴之内，那么返回 1，否则返回 0。	通过跳跃表的表头节点和表尾节点，这个检测能够用 O(1) 复杂度实现。
zslFirstInRange	给定一个分值范畴，返回跳跃表中第一个合乎这个范畴的节点。	均匀 O(log N)，最坏 O(N)。N 为跳跃表长度。
zslLastInRange	给定一个分值范畴，返回跳跃表中最初一个合乎这个范畴的节点。	均匀 O(log N)，最坏 O(N)。N 为跳跃表长度。
zslDeleteRangeByScore	给定一个分值范畴，删除跳跃表中所有在这个范畴之内的节点。	O(N)，N 为被删除节点数量。
zslDeleteRangeByRank	给定一个排位范畴，删除跳跃表中所有在这个范畴之内的节点。	O(N)，N 为被删除节点数量。

（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。

关于redis:闲扯Redis十Redis-跳跃表的结构实现

一、前言

二、构造解析

1. 跳跃表节点构造

层的定义

后退指针

层的跨度

后退指针

分值与成员

2. 跳跃表构造

三、跳跃表 API 操作

四、要点总结