Redis数据结构——skiplist（跳跃表）

跳跃表在Redis中主要用于有序集合键的实现，其他地方没怎么用到，但是这种数据结构在面试的时候经常会问到，因为它作为一种查找时间复杂度为O(logN)的特殊的链表，效率堪比红黑树或平衡树，而实现难度却远小于它们。下面分3个模块讲解Redis的跳跃表实现：

 

一、跳跃表的应用场景

在Redis中，当有序集合包含的元素数量较多，或者有序集合中元素的成员是比较长的字符串时，就会使用跳跃表做有序集合键的底层实现。其中，跟有序集合有关的命令主要有ZADD、ZRANGE等

 

二、跳跃表的数据结构

首先介绍下跳跃表的节点定义：

type struct zskiplistNode {
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;    //前进指针
        unsigned int span;    //跨度
    }level[];    //level数组，数组索引表示层数，最多32层（索引值为0~31）
    struct zskiplistNode *backward;    //后退指针
    double score;    //分数
    robj *obj;    //成员对象
}zskiplistNode;

看起来很复杂是吧，没关系，下面对结构体的所有成员变量一个个介绍：

1. level[]

每个跳跃表节点都包含一个level数组，这个数组包含1~32个元素，具体是多少呢，由幂次定律决定，假设为1的概率为，那么为2的概率就为，以此类推，为n的概率为，这个数组元素越多，说明层数越多，访问其他节点的速度就会越快。

level数组的每个元素都是一个zskiplistLevel结构体变量，这个变量包含2个元素forward和span，其中forward是一个指向下一个跳跃表节点的前进指针，span表示与下一个跳跃表节点的跨度，不理解的话可以看下面的例子说明。

2. backward

后退指针主要用于指向上一个跳跃表节点，形成逆向链表（个人觉得作用不大）

3. score

有序集合的分值，排序时用到，决定了跳跃表节点的位置

4. obj

obj是一个指向实际成员对象的指针

 

下面介绍完整的跳跃表定义：

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;    //分别指向跳跃表头和表尾
    unsigned long length;    //跳跃表中节点数量
    int level;    //跳跃表中除跳跃表头节点之外层数最大的节点的层数，最大为32
}zskiplist;

其中需要注意的一点是，header指向的跳跃表头节点固定有32层（即该节点对应的level数组有32个元素），且一开始的时候每一层指向的下一个跳跃表节点都为NULL，直到有节点插入到跳跃表中去。

 

三、跳跃表的插入过程（重点）：

1. 一开始跳跃表是空的，如下图：

2. 先插入元素A，对应的score为5，随机生成的层数为2

3. 再插入元素B，对应的score为3，随机生成的层数为1

4. 最后再插入元素C，对应的score为7，随机生成的层数为1

5. 此时如果要查找分值为7的元素C，先从最高层的链表往右查，发现最上面的链表的第一个元素（不考虑header指向的节点）的分值为5<7，就往右前进，此时最上面的链表已经没有下一个节点了，所以就降一层再往右查，进而查到元素C的存在，整个过程其实直接跳过了对元素A对应节点的访问，从而提升了查询效率。

 

总结：

其实跳跃表就是由level条前进链表+1条后退链表构成的，后退链表的存在主要用于从后往前遍历所有跳跃表节点，而多条前进链表的存在则是为了提升查询效率。