SkipList

Redis中使用跳表作为有序集合键(zset)的底层实现之一。当有序集合元素较多时，或有序集合中元素为较长字符串时，都会使用跳表作为底层结构。

Redis在两个地方用到了跳表，一种是有序集合键中，另一种是集群节点中做内部数据结构。

跳表

下面的结构是就是跳表：

 其中 -1 表示 INT_MIN， 链表的最小值，1 表示 INT_MAX，链表的最大值。

 

跳表具有如下性质：

(1) 由很多层结构组成

(2) 每一层都是一个有序的链表

(3) 最底层(Level 1)的链表包含所有元素 越接近顶层的链表，含有的节点则越少  （一般是做为索引层）

(4) 如果一个元素出现在 Level i 的链表中，则它在 Level i 之下的链表也都会出现。

(5) 每个节点包含4个指针，一个指向同一链表中的下一个元素，一个指向下面一层的元素。一个指向上面一层的元素，一个指向同一链表中的上一个元素

package com.high_structure;

import java.util.Random;

public class MySkipList<K extends Comparable<K>, V> {
	// 该类应该的有的属性 size head节点
	private int size;
	private Node<K, V> head;

	// 因为我们会通过随机数概率的方式去生成是否生成索引层
	private final Random random = new Random();
	//
	private final double DEFAULT_PROBABILITY = 0.5;

	public MySkipList() {
		super();
		this.size = 0;
		this.head = new Node<K, V>(null, null, 0);
	}

	// 提供几个基本方法 方便后期去操作链表 1 判断是否为空 2水平插入到某个元素的后面 3 垂直插入（上下关联）

	public boolean isEmpty() {
		return size == 0;
	}

	/**
	 * 吧b插入到a的后面<br>
	 * a->c->d <br>
	 * b
	 * 
	 * @param a
	 * @param b
	 */
	public void horizontalLink(Node<K, V> a, Node<K, V> b) {
		b.setPre(a);
		b.setNext(a.getNext());
		if (a.getNext() != null) // 建立从右到左的链接关系
		{
			// 在这里a.getnext == b。getnext的
			a.getNext().setPre(b);
		}
		a.setNext(b);
	}

	/**
	 * 吧b插入到a下面
	 * 
	 * @param a
	 * @param b
	 */
	public void vertLink(Node<K, V> a, Node<K, V> b) {
		a.setDown(b);
		b.setUp(a);
	}

	public static void main(String[] args) {
		MySkipList<Integer, String> skipList = new MySkipList<>();
		skipList.add(151, "1");
		skipList.add(12, "12");

		skipList.add(121, "121");
		skipList.add(112, "112");
		skipList.add(11, "11");
		skipList.remove(12);
		skipList.remove(121);
		skipList.remove(15);
		System.out.println(skipList);
	}

	/**
	 * 判断key1是否小于key2
	 * 
	 * @param key1
	 * @param key2
	 * @return
	 */
	public boolean lessthanOrEquals(K key1, K key2) {
		return key1.compareTo(key2) <= 0;
	}

	public Node<K, V> get(K key) {
		// 省略key的判断
		Node<K, V> node = searchNode(key);
		if (node.getKey().equals(key)) {
			return node;
		}
		return null;
	}

	/**
	 * 通过指定的key查找元素
	 * 
	 * @param key
	 * @return
	 */
	public Node<K, V> searchNode(K key) {
		// 该node表示最后返回的节点
		Node<K, V> node = head;
		// 该节点表示遍历会用到的节点
		Node<K, V> next = null;
		Node<K, V> down = null;
		// 先在从head开始查找

		while (true) {
			next = node.getNext();
			// 先遍历第一层节点
			while (next != null && lessthanOrEquals(next.getKey(), key))
			// 如果不为空 并且遍历的节点<=当前节点
			{
				node = next;
				next = next.getNext();
			}
			if (node.getKey() != null && node.getKey().compareTo(key) == 0) {
				break;
			}

			// 如果不相等 进入下一层级
			down = node.getDown();
			if (down == null) // 最后一层
			{
				break;
			} else {
				node = down;
			}
		}
		return node;
	}

	/**
	 * 添加元素 如果 key存在 就修改该node的value 如果不存在 就添加到他应该的位置
	 * 
	 * @param node
	 */
	public void add(K key, V val) {
		// 省略判断key是否合法
		Node<K, V> node = searchNode(key);
		K searchKey = node.getKey();
		if (searchKey != null && searchKey.compareTo(key) == 0) {
			node.setValue(val);
			return;
		}
		// 如果不相等 那么我们就把我们的节点插入到该节点的后面
		Node<K, V> newNode = new Node<K, V>(key, val, node.getLevel());
		horizontalLink(node, newNode);
		// 通过随机函数的的方式看是否需要生成索引层 【如果查找的数和我们 的head在同一层在同一级就需要生成 】
		int headLevel = head.getLevel();
		int currentLevel = node.getLevel();
		while (isNeedBuildLevel()) {
			if (currentLevel >= headLevel) { // 需要创建的心的索引层头结点
				Node<K, V> newHead = new Node<K, V>(null, null, ++headLevel);
				vertLink(newHead, head);
				head = newHead;
			}
//			结合跳表的图更好理解
//			如果当前节点（node）的up为空  我们就跳转到当前节点的head节点 然后 获取up
//			如果不为空直接获取up 然后在up后面添加当前节点作为索引层
			while (node.getUp() == null) {
				node = node.getPre();
			}
			node = node.getUp();
			Node<K, V> newTemp = new Node<K, V>(key, val, node.getLevel());
			horizontalLink(node, newTemp);
			vertLink(newTemp, newNode);

　　　　　　　　　　　　　　//因为我们生成索引层是随机的 有可能在生成了一个索引层以后又会生成一个
　　　　　　　　　　　　　　//比如 现在有2层
　　　　　　　　　　　　　　// leav1 0--> 1
　　　　　　　　　　　　　　//                  ||
　　　　　　　　　　　　　　// leav0 0--> 1  假如又生成一个新的索引层 我们其实是需要记录上一次索引层的位置 也就是 tmp的值 我们把他保存在newNode 下次使用

			newNode = newTemp;
			currentLevel++;
		}
		size++;
	}

	/**
	 *
	 * 删除的核心思路 先找到该节点 然后走到最下面 从下面开始删除 （从上往下删除 ）
	 *
	 * @param key
	 */
	public void remove(K key) {
		// 省略判断key是否合法
		Node<K, V> node = searchNode(key);
		// 删除
		if (node != null && node.getKey().equals(key)) {
			while (node.getDown() != null) {
				node = node.getDown();
			}

			Node<K, V> next = null;

			Node<K, V> pre = null;
			while (node != null) {
				pre = node.getPre();
				next = node.getNext();
				if (pre != null) {
					pre.setNext(next);
				}
				if (next != null) {
					next.setPre(pre);
				}
				node = node.getUp();
			}
			// 对顶层链表进行调整，去除无效的顶层链表 某些时候可能存在某一行索引就一个单独的头结点 该头结点的next没有值
			while (head.getNext() == null && head.getDown() != null) {
				head = head.getDown();
				head.setUp(null);
			}
		}
		size--;
	}

	@Override
	public String toString() {
		StringBuilder sb = new StringBuilder();
		Node<K, V> node = head;

		// 移动到最底层
		while (node.getDown() != null)
			node = node.getDown();

		while (node.getPre() != null)
			node = node.getPre();

		// 第一个节点是头部节点，没有任何意义，所以需要移动到后一个节点
		if (node.getNext() != null)
			node = node.getNext();

		// 遍历
		while (node != null) {
			sb.append(node.toString()).append("
");
			node = node.getNext();
		}

		return sb.toString();
	}

	private boolean isNeedBuildLevel() {
		return random.nextDouble() < DEFAULT_PROBABILITY;
	}

	// 节点类型 采用内部类的方式
	static class Node<K, V> {
		private K key;
		private V value;
		// 还需要一个值来保存该节点所在的层级
		private int level;

		public int getLevel() {
			return level;
		}

		public void setLevel(int level) {
			this.level = level;
		}

		private Node<K, V> up, down, next, pre;

		public K getKey() {
			return key;
		}

		public void setKey(K key) {
			this.key = key;
		}

		public V getValue() {
			return value;
		}

		public void setValue(V value) {
			this.value = value;
		}

		public Node<K, V> getUp() {
			return up;
		}

		public void setUp(Node<K, V> up) {
			this.up = up;
		}

		public Node<K, V> getDown() {
			return down;
		}

		public void setDown(Node<K, V> down) {
			this.down = down;
		}

		public Node<K, V> getNext() {
			return next;
		}

		public void setNext(Node<K, V> next) {
			this.next = next;
		}

		public Node<K, V> getPre() {
			return pre;
		}

		public void setPre(Node<K, V> pre) {
			this.pre = pre;
		}

		public Node(K key, V value, int level) {
			super();
			this.key = key;
			this.value = value;
			this.level = level;
		}

		public Node() {

		}

		@Override
		public String toString() {
			return "Node [key=" + key + ", value=" + value + "]";
		}

	}
}

最后的测试结果如下