Redis之跳跃表

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他节点的指针，从而达到快捷访问节点的目的。

在大多数情况先，跳跃表的效率可以与平衡树媲美，并且因为跳跃表的实现比平衡树更为简单，所以有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。

I、跳跃表实现

Redis的跳跃表由zskiplistNode和zskiplist两个结构定义，其中zskiplistNode结构用于表示跳跃表节点，而zskiplist结构用于保存跳跃表节点的相关信息（如节点数量，表头指针，表尾指针等）。

下图为一个跳跃表示意图：

位于最左边的是zskiplist结构，该结构包含以下属性：
·header：指向跳跃表的表头节点。
·tail：指向跳跃表的表尾节点。
·level：表示目前跳跃表内，层数最大的节点的层数。
·length：记录跳跃表长度，即跳跃表包含的节点数量（不包含头结点）。

位于zskiplist结构右方的是四个zskiplistNode结构，其属性如下：
·层：用L1、L2、L3等表示节点的各个层，每个层都有两个属性：前进指针和跨度。前进指针用于访问位于表尾方向的其他节点，跨度记录了前进指针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：节点中用BW表示后退指针，后退指针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是节点保存的分值。在跳跃表中，节点按照各自所保存的分值从小到大排列。
· 成员对象： 各个节点中o1、o2是节点保存的成员对象。

值的注意的是：表头节点和其他节点是不一样的，表头节点也有后退指针、分值和成员对象，但是表头节点的这些属性都不会被用到，所以图中忽略了这一部分。

1.1 跳跃表节点

typedef struct zskiplistNode {

    // 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;

层：
每次创建一个新跳跃表节点的时候，程序都会随机生成一个介于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”。

前进指针：
每个层都有一个指向表尾方向的前进指针。下图用虚线表示了从表头遍历到表尾的路径：

跨度：
层的跨度用于记录两个节点之间的距离：
初看上去，很容易以为跨度与遍历操作有关，但其实跨度是用来计算排位的，在查找某个节点的过程中，将沿途访问过的所有层的跨度累积起来，得到的结果就是目标节点在跳跃表中的排位。

后退指针：
与每个节点有多个前进指针不同，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。

分值和成员：
节点的分值用来对所有节点从小到大排序。
节点的成员是一个指针，其指向一个字符串对象，而字符串对象保存着一个SDS值。

在同一个跳跃表中，各个节点保存的成员对象必须是唯一的，但是多个节点保存的分值却可以是相同的：分值相同的节点将按照成员对象在字典序中的大小进行排序。

1.2 跳跃表

Redis使用一个zskiplist结构来持有zskiplistNode节点，程序可以更方便的对整个跳跃表进行处理，比如，快速访问表头节点和表尾节点，或者快速获取表中节点数量。

 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;

II、跳跃表API

【参考】
[1] 《Redis设计与实现》

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