跳跃表的原理
跳跃表的思想来自于一篇论文:Skip Lists: A Probabilistic Alternative to Balanced Trees. 如果想要深入了解跳跃表,可以阅读论文原文。这里引用论文中的一幅图对跳跃表的原理作一个简单的说明。
上图用a,b,c,d,e五种有序链表及其变式(变式的名字是我随便起的)说明了跳跃表的motivation.
[a]单链表:查询时间复杂度O(n)
[b]level-2单链表:每隔一个节点为一个level-2节点,每个level-2节点有2个后继指针,分别指向单链表中的下一个节点和下一个level-2节点。查询时间复杂度为O(n/2)
[c]level-3单链表:每隔一个节点为一个level-2节点,每隔4个节点为一个level-3节点,查询时间复杂度O(n/4)
[d]指数式单链表:每2^i个节点的level为i+1,查询时间复杂度为O(log2N)
[e]跳跃表:各个level的节点个数同指数式单链表,但出现的位置随机,查询复杂度仍然是O(log2N)吗
之所以这里关心查询复杂度,因为有序链表的插入和删除复杂度等于查询复杂度。
作为一种概率性算法,文章证明了跳跃表查询复杂度的期望是O(logN).
考虑一个有序表:
从该有序表中搜索元素 < 23, 43, 59 > ,需要比较的次数分别为 < 2, 4, 6 >,总共比较的次数
为 2 + 4 + 6 = 12 次。有没有优化的算法吗? 链表是有序的,但不能使用二分查找。类似二叉
搜索树,我们把一些节点提取出来,作为索引。得到如下结构:
这里我们把 < 14, 34, 50, 72 > 提取出来作为一级索引,这样搜索的时候就可以减少比较次数了。
我们还可以再从一级索引提取一些元素出来,作为二级索引,变成如下结构:
这里元素不多,体现不出优势,如果元素足够多,这种索引结构就能体现出优势来了。
下面的结构是就是跳表:
其中 -1 表示 INT_MIN, 链表的最小值,1 表示 INT_MAX,链表的最大值。
跳表具有如下性质:
(1) 由很多层结构组成
(2) 每一层都是一个有序的链表
(3) 最底层(Level 1)的链表包含所有元素
(4) 如果一个元素出现在 Level i 的链表中,则它在 Level i 之下的链表也都会出现。
(5) 每个节点包含两个指针,一个指向同一链表中的下一个元素,一个指向下面一层的元素。
例子:查找元素 117
(1) 比较 21, 比 21 大,往后面找
(2) 比较 37, 比 37大,比链表最大值小,从 37 的下面一层开始找
(3) 比较 71, 比 71 大,比链表最大值小,从 71 的下面一层开始找
(4) 比较 85, 比 85 大,从后面找
(5) 比较 117, 等于 117, 找到了节点。
具体的搜索算法如下:
C代码
先确定该元素要占据的层数 K(采用丢硬币的方式,这完全是随机的)
然后在 Level 1 ... Level K 各个层的链表都插入元素。
例子:插入 119, K = 2
如果 K 大于链表的层数,则要添加新的层。
例子:插入 119, K = 4
插入元素的时候,元素所占有的层数完全是随机的,通过一下随机算法产生:
C代码
相当与做一次丢硬币的实验,如果遇到正面,继续丢,遇到反面,则停止,
用实验中丢硬币的次数 K 作为元素占有的层数。显然随机变量 K 满足参数为 p = 1/2 的几何分布,
K 的期望值 E[K] = 1/p = 2. 就是说,各个元素的层数,期望值是 2 层。
n 个元素的跳表,每个元素插入的时候都要做一次实验,用来决定元素占据的层数 K,
跳表的高度等于这 n 次实验中产生的最大 K,待续。。。
根据上面的分析,每个元素的期望高度为 2, 一个大小为 n 的跳表,其节点数目的
期望值是 2n。
在各个层中找到包含 x 的节点,使用标准的 delete from list 方法删除该节点。
例子:删除 71