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  • Redis设计与实现第一部分:第5章:Redis 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它节点的指针,从而达到快速访问节点的目的。

      跳跃表支持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。

      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来的更为简单,所以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:如果一个有序集合键的与元素比较多,又或者有序集合中元素的成员是比较长的字符串时,有序集合键的底层就会使用跳跃表实现。

      和链表、字典等数据结构被广泛的应用在Redis内部不同,Redis只在两个地方用到了跳跃表。1.有序集合键;2.在集群节点中用作内部数据结构。

      跳跃表的实现:

      Redis的跳跃表是由redis.h/zskiplistNode和redis.h/zskiplist两个结构定义:zskiplistNode结构用于表示跳跃表节点,而zskiplistj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。

      zskiplist结构:

      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;

      length:跳跃表的长度(节点的数量,表头节点不计算在内);

      zskiplistNode

      层(level):节点中用L1,L2,L3等字样标记节点的各个层。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它节点,而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。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。

      后退指针(backward):BW,指向当前节点的前一个节点。BW在程序从表尾向表头遍历时使用。

      分值:各个节点中的1.0,2.0何3.0是节点所保存的分值。在跳跃表中各节点按照各自保存的分值进行从小到大排序。

      成员对象(obj):各个节点中的o1,o2,o3是节点所保存的成员对象。

      备注:表头节点和其它节点的构造是一样的:表头节点、后退指针、分值、成员对象,不过表头节点这些属性都不会用到。

      跳跃表节点:

      跳跃表节点的实现由redis.h/zskiplistNode结构定义:

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

      1.层

      跳跃表节点的level数组可以包含多个与元素,每个元素都包含一个指向其它节点的指针,程序可以通过这些层来加快访问其他节点,程序可以通过这些层来加快访问其它节点的速度,一般来说,层的数量越多,访问其它节点的速度越快。

      每次创建一个新跳跃表节点的时候,程序都是根据幂次定律(power law,越大的数出现的概率越小)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j就是层的“高度”。

      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。

      2.前进指针:程序员首先访问跳跃表的第一个节点(表头);前进指针移动时,它碰到一个NULL,程序知道已经到达了跳跃表的表尾,于是结束这次遍历。

      3.跨度:层的跨度(level[i].span)用于记录两个节点之间的距离。两个节点之间的跨度越大,它们相距得就越远。指向NULL的所有前进指针的跨度都为0,因为它们没有连向任何节点。

      初看上去,很容易以为跨度和遍历操作有关,但实际上并不是这样,遍历操作只使用前进指针就可以完成了,跨度实际上就是用来计算排位的(rank):在查找某个节点的过程中,将沿途访问的所有层的跨度累计起来,得到的结果就是目标节点在跳跃表中的排位。

      4.后退指针;

      5.分值与成员对象:节点的分值(score属性)double类型浮点数,跳跃表中所有节点的分值从小到大排序。节点的成员对象(obj属性)是一个指针,指向一个字符串对象,字符串对象存有SDS值。

      在同一个跳跃表内,各个节点保存的成员对象是唯一的,但是多个节点保存的分值却是可以相同的:分值相同的节点按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)。

      仅靠多个跳跃表节点就可以了组成一个跳跃表,但是通过使用一个zskiplist结构来持有这些节点,程序可以更方便的对整个跳跃表进行处理,比如快速的访问跳跃表的表头结点和表尾节点,或者快速地获取跳跃表节点的数量(也就是跳跃表的长度)等信息。

      zskiplist结构的定义如下:

    typedef struct zskpilist{
       
        //表头节点和表尾节点
        struct skiplistNode *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; 
    	
    }zskpilist;
    

      

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