【Redis】底层探析 I - Redis 有序集合(ZSet)是如何实现的？

目录

ZSet的编码方式

什么是跳跃列表(skiplist)？

ZSet的底层结构

跳跃列表的查询过程

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ZSet的编码方式

        Redis中的有序集合zset底层实现采用了两种编码方式：

• REDIS_ENCODING_SKIPLIST 跳跃列表
• REDIS_ENCODING_ZIPLIST 压缩列表

        对于不同编码的触发方式/条件，有两个关键因素：

• zset-max-ziplist-entries 128
• zset-max-ziplist-value 64

        当有序集合的元素个数 ≥ zset-max-ziplist-entries (128个) ，或每个元素成员的长度≥zset-max-ziplist-value (默认为64字节)时，使用跳跃列表和哈希表作为有序集合的内部实现。

拓展：

        可以通过在Redis配置文件中(redis.conf)中定义使用两种不同编码的时机。

什么是跳跃列表(skiplist)？

        跳跃列表是一种有序的数据结构（有些版本会说是一种随机化的数据结构，这里的随机化是指概率），由William Pugh在论文​​​​​《Skip Lists: A Probabilis ... Trees》中提出。根据不同层级定向引导每一节点指向后续节点，达到快速访问指定节点的目的。跳跃列表在查找指定节点时，平均时间复杂度为O(logN)，最坏情况下时间复杂度为O(N)。

ZSet的底层结构

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */



///     ele: 当前节点元素，用以存储数据
///     score: 当前元素成员所对应的分数
///     backward：用以指向前驱节点的指针，即回溯指针
///     level：用以表示层级，每一层级对应指向一个指针 forward
///     forward：指向位于表尾方向其他节点的指针。
///     span：当前节点到forward指向的节点所跨越的节点个数。


typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;


///     header: 指向头部跳跃表节点的指针。
///     tail：指向尾部跳跃表节点的指针。
///     length：表示跳跃表中的节点总数。
///     level：表示跳跃表中层数最大的节点的层数，表头节点的层数不计算在内。


typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

typedef struct zset {
    dict *dict;
    zskiplist *zsl;
} zset;

        从图例和代码中我们不难发现，Redis中zset结构体由zskiplist和dict组成，同时zskiplist结构体中包含有跳跃表节点 zskiplistNode 和 跳跃表层级 zskiplistLevel，以此组成了一个双向链表结构。

跳跃列表的查询过程

        接下来让我们分析一下跳跃表在查询时的过程。

        在上图中，跳表层级为4层，元素个数为10个，按照自顶向下的顺序进行查找，从顶层(第4层)开始查找元素值17： 

• 第四层：找到元素值7，但发现7≤17，继续往右找；找到元素值29，但发现7≤29，回溯到上一指向元素值7的指针并向下走一层
• 第三层：找到元素值25，但发现25≥17，回溯到指向元素值7的指针并向下走一层
• 第二层：找到元素值16，但发现16≤17，继续往右找；找到元素值17，命中查找值，检索成功

        

        在下一章节，我们将就ZSet中使用的算法和代码实现作进一步阐析，并对性能和背后的数学原理作进一步探究。​​​​​​​