关于redis:Redis的设计与实现4跳跃表

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余节点的指针, 从而达到快速访问节点的目标.

跳跃表反对均匀 O(log N) 最坏 O(N) 复杂度的节点查找, 还能够通过程序性操作来批量解决节点.

在大部分状况下, 跳跃表的效率能够和均衡树相媲美, 并且因为跳跃表的实现比均衡树要来得更为简略, 所以有不少程序都应用跳跃表来代替均衡树.

Redis 应用跳跃表作为有序汇合键的底层实现之一: 如果一个有序汇合蕴含的元素数量比拟多, 又或者有序汇合中元素的成员 (member) 是比拟长的字符串时, Redis 就会应用跳跃表来作为有序汇合键的底层实现.

和链表, 字典等数据结构被宽泛地利用在 Redis 外部不同, Redis 只在两个中央用到了跳跃表, 一个是实现有序汇合键, 另一个是在集群节点中用作外部数据结构, 除此之外, 跳跃表在 Redis 外面没有其余用处.

1. 跳跃表节点

跳跃表节点由 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;

1.1 层

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”.

1.2 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.

1.3 跨度

层的跨度 (level[i].span 属性) 用于记录两个节点之间的间隔:

1. 两个节点之间的跨度越大, 它们相距得就越远.
2. 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.

跨度用来计算排位 (rank) : 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.

1.4 后退指针

节点的后退指针 (backward) 用于从表尾向表头方向拜访节点, 它每次只能后退至前一个节点.

1.5 分值和成员

节点的分值 (score) 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 排序.

节点的成员对象 (obj) 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 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).

2. 跳跃表

应用一个 zskiplist 构造来持有节点, 能够更不便地拜访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.

zskiplist 构造的定义如下 (redis.h/zskiplist):

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;

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

length 属性记录节点的数量, 可在 O(1) 复杂度内返回跳跃表的长度.

level 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.

3. 跳跃表 API

4. 总结

• 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;
• 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;
• 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;
• 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.

文章来源于自己博客，公布于 2018-05-16，原文链接：https://imlht.com/archives/132/