Redis 跳跃表记录
跳跃表《Redis设计于实现》
跳跃表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，从而达到快读访问节点的目的。
跳跃表支持平均O(logN)、最坏O(N)复杂度的节点查询，还可以通过顺序性操作来批量处理节点。
在大部分情况下，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术要来得更简单，所以有不少程序都是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，如果一个有序集合包含的元素数量比较多，又或者有序集合中元素的成员是比较长的字符串时，Redis就会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现。
举个例子，fruit-price是一个有序集合键，这个有序集合以水果名为成员，水果价钱为分值，保存了130款水果的价钱：
redis> ZRANGE fruit-pricce 0 2 WITHSCORES
1 "banana"
2 "5"
3 "cherry"
4 "6.5"
5 "apple"
6 "8"
redis> ZCARD fruit-price
(integer)130fruit-price 有序集合的所有数据都保存在一个跳跃表里面，其中每个跳跃表节点node都保存了一款水果的价钱信息，所有水果按价钱的高低从低到高在跳跃表里面排序：
- 跳跃表的第一个元素的成员为"banana"，它的分值为5;
- 跳跃表的第二个元素的成员为"cherry",它的分值为6.5；
- 跳跃表的第三个元素的成员为“apple”,它的分值为8;
和链表、字段等数据结构被广泛地应用在Redis内部不同，Redis只在两个地方用到了跳跃表，一个是实现有序集合键，另一个是在集群节点中用作内部数据结构，初次之外，跳跃表在Redis里面没有其他用途。
跳跃表的实现
Redis的跳跃表由redis.h/zskiplistNode和redis.h/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等。
/*
* 跳跃表
*/
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 :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（表头节点的层数不计算在内）
- length:记录跳跃表的长度，也即是，跳跃表目前包含节点的数量（表头节点不计算在内）
位于zskiplist结构右方的是四个zskiplistNode结构，该结构包含一以下属性：
- 层（level）：节点中用L1、L2、L3等字样标记节点的各个层，L1代表第一层，L2代表第二层，以此类推。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他节点，而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。在上面的图片中，连线上带有数字的箭头就代表前进指针，而那个数字就是跨度。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（backward）：节点中用BW字样标记节点的后退指针，它指向位于当前节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。
- 分值（score）：各个节点中的1.0、2.0、3.0是节点所保存的分值。在跳跃表中，节点按各自所保存的分值从小到大排列。
- 成员对象（obj）：各个节点中的o1、o2和o3是节点所保存的成员对象。
注意表头节点和其他节点的构造是一样的：表头节点也有后退指针、分值和成员对象，不过表头节点的这些属性都不会被用到，所以图中省略了这些部分，只显示了表头节点的各个层。
跳跃表节点：
/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
/*
* 跳跃表节点
*/
typedef struct zskiplistNode {
// 成员对象
robj *obj;
// 分值
double score;
// 后退指针
struct zskiplistNode *backward;
// 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数组可以包含多个元素，每个元素都包含一个指向其他节点的指针，程序可以通过这些层来加快访问其他节点的速度，一般来说，层的数量越多，访问其他节点的速度就越快。
每次创建一个新跳跃表节点的时候，程序都根据幕次定律（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，这个大小就是层的高度。
2.前进指针
每个层都有一个指向表尾方向的前进指针（level[i].forward属性），用于从表头向表尾方向访问节点。
- 迭代程序首先访问跳跃表的第一个节点（表头），然后从第四层的前进指针移动到表中的第二个节点。
- 在第二个节点时，程序沿着第二层的前进指针移动到表中的第三个节点。
- 在第三个节点时，程序同样沿着第二层的前进指针移动到表中的第四个节点，
- 当程序再次沿着第四个节点的前进指针移动时，它碰到一个null，程序知道这时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属性）用于记录两个节点之间的距离：
- 两个节点之间的跨度越大，他们相距得就越远
- 指向null的所有前进指针的跨度都为0，因为它们没有连响任何节点。
初上看上，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，跨度实际上是用来计算排位的：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。
举个例子下图有虚线标记了在跳跃表中查找分值为3.0、成员对象为o3的节点时，沿途经历的层：查找的过程只经过了一个层，并且层的跨度为3，所以目标节点在跳跃表中的排位为3
在举个例子下图用虚线标记了在跳跃表中查找分值为2.0、成员对象为o2的节点时，沿途经历的层：在查找节点的过程中，程序经过了两个跨度为1的节点，因此可以计算出，目标节点在跳跃表中的排位为2
4.后退指针
节点的后腿指针用于从表尾向表头方向访问节点：跟可以一次跳过多个节点的前进指针不同，因为每个节点只有一个后退指针，所以每个节点只能由一个后退指针，所以每次只能后退至前一个节点。
下图用虚线展示了如果从表尾向表头遍历跳跃表中的所有节点：程序首先通过跳跃表的tail指针访问表尾节点，然后通过后退指针访问倒数第二个节点，之后在沿着后退指针访问倒数第三个节点，在之后遇到指向null的后退指针，于是访问结束。
5.分值和成员
节点的分值是一个double类型的浮点数，跳跃表中的所有节点都按分支从小到大来排序。
节点的成员对象是一个指针，它指向一个字符串对象，而字符串对象则保存着一个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中的大小来进行排序，成员对象较小的节点会排在前面，而成员对象较大的节点则会排在后面。
举个例子在下图所示的跳跃表中，三个跳跃表节点都保存了相同的分值10086.0，但保存成员对象o1的节点却排在保存成员对象o2和o3的节点之前，而保存成员对象o2的节点又排在保存成员对象o3的节点之前，由此可见，o1、o2、o3三个成员对象在字典中的排序为o1<=o2<=o3。
跳跃表
仅靠多个跳跃表节点就可以组成一个跳跃表
但是通过使用一个zskiplist结构来持有这些节点，程序可以更方便地对整个跳跃表进行处理，比如快读访问跳跃表的表头节点和表尾节点，或者快读地获取跳跃表节点的数量等信息
header和tail指针分别指向跳跃表的表头和表尾节点，通过这两个指针，程序定位表头节点和表尾节点的复杂度为o(1)
通过使用length属性来记录节点的数量，程序可以在O(1)复杂度内返回跳跃表的长度。
level属性则用于在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，注意表头节点的层并不计算在内。
总结：
- 跳跃表是有序集合的底层实现之一
- Redis的跳跃表实现由zskiplist和zskiplistNode两个结构组成，其中zskiplist用于保存跳跃表信息(比如表头信息、表尾节点、长度)，二zskiplistNode则用于表示跳跃表节点。
- 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，多个节点可以包含相同的分值，但每个节点的成员对象必须是唯一的。
- 跳跃表中的节点按照分值大小进行排序，当分值相同时，节点按照成员对象的大小进行排序。