Redis02-Redis的数据结构之Redis链表

前言

上一篇文章我们学习了Redis的数据结构之简单动态字符串，这一篇我们接着来学习Redis中另外一个数据结构-链表。链表有很多种，首先，本文会首先回顾一下一些常见的链表，接着就是介绍Redis中的链表的结构。

链表回顾

链表和数组

数组时需要一块连续的内存空间来存储的，而链表值需要零散的内存碎片，数组的插入和删除的时间复杂度是0(n)，查询的某个元素的时间复杂度是O(1)。而链表插入和删除的时间复杂度是O(1)，查询某个节点的时间复杂度是O(n)通过指针相连即可。如下图所示：

单链表

单链表是最简单的链表，链表中的每一个内存块称之为“结点”，每个结点Node包含两个部分，数据域data和后继指针next。单链表的第一个结点称为头结点，头结点记录了链表的基地址。其next指针指向下一个结点，通过头结点可以遍历整个链表，最后一个结点称为尾结点，尾结点的next指针指向空地址NULL。更多关于单链表的知识可以参考第八篇：链表的学习：链表的头插法和尾插法以及HashMap中链表结点的插入方式

双端链表

与单链表不同的是双向链表多了一个前驱指针prev。需要额外的空间存储前驱结点的地址，因此存储同样的数据，双端链表占用比单链表更多的空间，但是其优点是支持双向遍历。体现在如下两个方面：

1. 在有序链表中查找某个元素，单链表由于只有后继指针，因此只能从前往后遍历查找时间复杂度为O(N)。双端链表可以双向遍历。
2. 删除给定指针指向的结点，假设已经找到要删除的结点，要删除就必须知道其前驱节点和后继结点。单链表想要知道其前驱节点，就必须从头开始遍历。而双端链表由于保存了其前驱节点，因此时间复杂度是O(1)。
   

循环链表

循环链表与单链表和双链表的不同之处是其呈环装。单循环链表中其尾节点并非指向NULL而是指向头节点。双循环链表其头节点的前驱指针指向尾节点。尾节点的后继指针指向头节点。循环链表的优势在于链尾到链头，链头到链尾比较方便。适合处理具有环形结构的数据。

Redis的链表

Redis链表使用的是双端无环链表。如下列表命令从左边添加元素：lpush lists 1 2 3。就是通过链表左边设置了三个元素。

链表的结构

Redis使用一个listNode结构来表示链表的结点。

		typedef struct listNode
		{ 
			// 前置节点 
			struct listNode *prev; 
			// 后置节点 
			struct listNode *next; 
			// 节点的值 
			void *value; 
		} listNode;

用结构图表示就是：

同时Redis为了方便操作链表，提供了一个list结构来持有链表

		typedef struct list{
			//表头节点
			listNode *head;
			//表尾节点
			listNode *tail;
			//链表所包含的节点数量
			unsigned long len;
			//节点值复制函数
			void *(*dup)(void *ptr);
			//节点值释放函数
			void *(*free)(void *ptr);
			//节点值对比函数
			int (*match)(void *ptr,void *key);
		}list;

其中：

1. head记录了表头指针；
2. tail记录了表尾指针
3. len记录了链表长度，是链表长度计数器
   dup、free和match成员则是用于实现多态链表所需的类型特定函数；
4. dup函数用于复制表节点所保存的值
5. free函数用于释放链表节点所保存的值
6. match函数则是用于对比链表节点所保存的值和另一个输入值是否相等。
   下图就是由一个list结构和三个listNode结构组成的链表
   

链表的特性

1. 双端：链表节点带有前驱、后继指针；获取某个节点的前驱、后继节点的时间复杂度是O(1)。
2. 无环：链表为非循环链表表头节点和前驱指针和表尾的后继指针指向NULL,对链表的访问以NULL为终点。
3. 带表头指针和表尾指针：通过list结构中的head和tail指针，获取表头和表尾节点的时间复杂度都是O(1)。
4. 多态：链表节点使用void* 指针保存节点的值，并且可以通过list结构的dup、free、match三个属性为节点值设置类型特定函数，所以链表可以用来保存不同的类型的值。

双端无环链表在Redis中的使用

链表在Redis中的应用非常广泛，列表对象的底层实现之一就是链表，此外如发布订阅、慢查询、监视器等功能也用到了链表，我们现在简单想一想为什么使用双端无环链表，而不是数组、单向链表等。既然列表对象的底层实现之一是链表，那么我们可以通过一个表格来分析一下列表对象的常用操作命令，如果分别使用数组、单链表和双端链表实现列表对象的时间复杂度对照如下：

操作\时间复杂度	数组	单链表	双端链表
rpush(从右边添加元素)	O(1)	O(1)	O(1)
lpush(从左边添加元素)	O(n)	O(1)	O(1)
lpop(从右边删除元素)	O(1)	O(1)	O(1)
rpop(从左边删除元素)	O(n)	O(1)	O(1)
lindex(获取指定索引下标的元素)	O(1)	O(n)	O(n)
len(获取长度)	O(n)	O(n)	O(1)
linsert(向某个元素前或后插入元素)	O(n)	O(n)	O(1)
lrem(删除指定元素)	O(n)	O(n)	O(n)
lset(修改指定索引下标元素)	O(n)	O(n)	O(n)

但是双向链表因为使用两个额外的空间存储前驱和后继指针，因此在数据流较小的情况下会造成空间上的浪费（因为数据流小的时候速度上差别不大，但空间上差别很大）。这是一个时间换空间还是空间换时间的思想问题。Redis在列表对象中小数据量的时候使用压缩列表来作为底层实现，而大数据量的时候才会使用双向无环链表。

总结

本文首先对链表的相关知识点做了一个回顾，简单的介绍了单链表，双端链表，循环链表。接着就是着重介绍了Redis中的链表结构，Redis的链表采用的是双端无环链表。通过list结构来操作链表。