Redis ZSet底层实现

将知识从定义、来源、实现、问题、优化、应用方面来系统性的回答

Zset原理

有序集合对象是有序的。与列表使用索引下标作为排序依据不同，有序集合为每个元素设置一个分数（score）作为排序依据

ZSet底层如何实现

一、使用ziplist。

1. 前提：保存元素数量小于128，并且每个元素长度小于64字节
   （这两个参数可以通过zset-max-ziplist-entries 选项和 zset-max-ziplist-value 进行修改）
2. ziplist原理：
   压缩列表（ziplist）是Redis为了节省内存而开发的，是由一系列特殊编码的连续内存块组成的顺序型数据结构，一个压缩列表可以包含任意多个节点（entry），每个节点可以保存一个字节数组或者一个整数值。
   
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• 每个节点组成如图。previous_entry_length保存前一个节点的长度，遍历时可根据定位到前一个节点。encoding存储content的类型和长度。content保存节点的内容

二、使用字典和跳跃表

typedef struct zset{
     //跳跃表
     zskiplist *zsl;
     //字典
     dict *dice;
} zset;

字典的键保存元素的值，字典的值则保存元素的分值；跳跃表节点的 object 属性保存元素的值，跳跃表节点的 score 属性保存元素的分值。

为什么不直接用跳跃表

假如我们单独使用 字典，虽然能以 O(1) 的时间复杂度查找成员的分值，但是因为字典是以无序的方式来保存集合元素，所以每次进行范围操作的时候都要进行排序；假如我们单独使用跳跃表来实现，虽然能执行范围操作，但是查找操作有 O(1)的复杂度变为了O(logN)。因此Redis使用了两种数据结构来共同实现有序集合。

字典

字典中的键是唯一的，可以通过key来查找值

• 字典底层实现是哈希表，字典有两个哈希表，一个在扩容时使用，哈希表扩容使用渐进式扩容，发送扩容时需要在两个哈希表中进行搜索。

  
  
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• 发生哈希冲突时使用链地址法解决

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它节点的指针，从而达到快速访问节点的目的。

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1. 性质

• 由很多层结构组成
• 每一层都是一个有序的链表，排列顺序为由高层到底层，都至少包含两个链表节点，分别是前面的head节点和后面的nil节
• 最底层的链表包含了所有的元素
• 如果一个元素出现在某一层的链表中，那么在该层之下的链表也全都会出现（上一层的元素是当前层的元素的子集）
• 链表中的每个节点都包含两个指针，一个指向同一层的下一个链表节点，另一个指向下一层的同一个链表节点；

2. 定义

typedef struct zskiplistNode {
     //层
     struct zskiplistLevel{
           //前进指针
           struct zskiplistNode *forward;
           //跨度
           unsigned int span;
     }level[];
 
     //后退指针
     struct zskiplistNode *backward;
     //分值
     double score;
     //成员对象
     robj *obj;
 
} zskiplistNode

typedef struct zskiplist{
     //表头节点和表尾节点
     structz skiplistNode *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;

3. 操作

• 搜索：从最高层的链表节点开始，如果比当前节点要大和比当前层的下一个节点要小，那么则往下找，也就是和当前层的下一层的节点的下一个节点进行比较，以此类推，一直找到最底层的最后一个节点，如果找到则返回，反之则返回空。
• 插入：首先确定插入的层数，有一种方法是假设抛一枚硬币，如果是正面就累加，直到遇见反面为止，最后记录正面的次数作为插入的层数。当确定插入的层数k后，则需要将新元素插入到从底层到k层。
• 删除：在各个层中找到包含指定值的节点，然后将节点从链表中删除即可，如果删除以后只剩下头尾两个节点，则删除这一层。

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跳表源码

本文参考：

https://www.cnblogs.com/ysocean/p/9080942.html#_label3