Redis 数据类型 - zset (有序集合)

Redis 数据类型 - zset (有序集合)

有序集合每个元素都是一个字符串对象，每个元素都有一个分值为 double 类型的浮点数，底层数据结构是 ziplist 和 skiplist（跳跃表）+ dict 字典。

• *dict：保存一个从成员到分数的映射，通过该字典可以用O(1)的复杂度查找给定成员的分值。
• *zsl: 按照分值从小到大保存了所有集合元素，每个跳跃表节点都保存了一个元素。可以通过它对 zset 进行范围型操作，例如 ZRANK、ZRANGE。
• 同时使用字典和跳跃表并不会产生重复成员和分值，因为通过指针进行共享相同元素的成员和分值，也不会浪费内存。

typedef struct zset {
    // 字典结构：保存一个从成员到分数的映射
    dict *dict;
    // 跳跃表指针
    zskiplist *zsl;
} zset;

1 zset 中的 ziplist

当使用 ziplist 存储时，类似上面使用 ziplist 存储 hash 对象的结构，根据分值从小到大排序，分值较小的元素放置为靠近表头的位置，分值较大的则靠经表尾的位置。而元素的成员和分值存储，则是第一个节点为成员，第二个为分值，结构如下。

因为 ziplist 都是紧凑存储，没有冗余空间，意味着插入一个元素就需要调用 realloc 扩展内存，取决于内存分配器算法和当前的 ziplist 内存大小， realloc 可能会重新分配新的内存空间，并将之前的内容一次性拷贝到新的地址，当 ziplist 占据内存太大，重新分配内存和拷贝内存就会有很大的消耗。所以 ziplist 不适合存储大型字符串，存储的元素也不宜过多。

当 zset 对象可以同时满足以下条件，则为 ziplist 编码：

1. zset 对象保存的元素数量小于 128个；
2. zset 对象保存的所有元素成员的长度都小于64字节；
   不满足上述情况，则使用 skiplist 编码。

2 skiplist（跳跃表）

跳表skipList在Redis中的运用场景只有一个，那就是作为有序列表zset的底层实现。跳表可以保证增、删、查等操作时的时间复杂度为O(logN)，这个性能可以与平衡树相媲美，但实现方式上却更加简单，唯一美中不足的就是跳表占用的空间比较大，其实就是一种空间换时间的思想。跳表的结构如下所示：

图中只画了四层，Redis 的跳跃表共有 64 层，意 味着最多可以容纳 2^64 次方个元素。每一个 kv 块对应的结构如下面的代码中 的 zskiplistNode 结构，kv header 也是这个结构，只不过 value 字段是 null 值——无效的，score 是 Double.MIN_VALUE，用来垫底的。kv 之间使用指针串起来形成了双向链表结构，它们是有序排列的，从小到大。不同的 kv 层高可能不一样，层数越高的 kv 越少。同一层的 kv 会使用指针串起来。每一个层元素的遍历都是从 kv header 出发。

typedf struct zskiplist{
    //头节点
    struct zskiplistNode *header;
    //尾节点
    struct zskiplistNode *tail;
    // 跳表中元素个数
    unsigned long length;
    //目前表内节点的最大层数
    int level;
}zskiplist;

typedef struct zskiplistNode {
    // 元素成员值
    sds ele;
    // 分值
    double score;
    // 回退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        // 前进指针forward
        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度span
        unsigned long span;
    } level[]; //层级数组 最大32
} zskiplistNode;

2.1 增加节点过程

单个节点结构如下

1. 初始状态假定如下图，需要添加值为赵六，分数为101的元素，大致的步骤包括找到要插入的位置，新建一个数据节点，然后调整与之相关的头尾指针的level数组。
   
2. 从表头的level即3开始，首先到张三的L3，发现分数70，比目标分数101小跳过，根据其前指针找到赵六的L3,发现分数102，比目标分数101大，将赵六L3记录在待更新数组update中，同时记录跨度span为4。接着到下一层，张三的L2层，发现分数70比目标分数101小跳过，根据前指针找到王五的L2，发现分数90，比目标分数101小跳过，根据前指针找到赵六的L2，发现分数102比目标分数101大，将赵六的L2记录到待更新数组update中，同时记录跨度span为2。最后到下一层，张三的L1层，逻辑和刚才一样的，也是记录赵六的L1层和跨度span为1。
3. 为新节点随机生成层级数level（通过位运算），如果生成的level大于目前level最大值3，则将将大于部分挨个遍历，并将跨度等信息记录到上面update表中。比如，新节点生成的level为5，目前level最大值为3，说明这个节点只会有一个，并且跨越了之前的所有节点，那么我们将从第四层和第五层都遍历下，记录到待更新数组update中。
4. 准备工作都做好了，找到了该节点将插入到哪一位置，处于哪一层，每层对应的跨度是多少，下面就要新增数据节点了。把上两步的信息都添加到新节点上，并且调整位置前后指针即可。4.最后就是一些收尾工作，比如修改表头的层级level，节点大小length和尾指针tail等属性。

3 为什么不使用平衡树而选择跳跃表

1. skiplist和各种平衡树（如AVL、红黑树等）的元素是有序排列的，而哈希表不是有序的。因此，在哈希表上只能做单个key的查找，不适宜做范围查找。所谓范围查找，指的是查找那些大小在指定的两个值之间的所有节点。
2. 在做范围查找的时候，平衡树比skiplist操作要复杂。在平衡树上，我们找到指定范围的小值之后，还需要以中序遍历的顺序继续寻找其它不超过大值的节点。如果不对平衡树进行一定的改造，这里的中序遍历并不容易实现。而在skiplist上进行范围查找就非常简单，只需要在找到小值之后，对第1层链表进行若干步的遍历就可以实现。
3. 平衡树的插入和删除操作可能引发子树的调整，逻辑复杂，而skiplist的插入和删除只需要修改相邻节点的指针，操作简单又快速。
4. 从内存占用上来说，skiplist比平衡树更灵活一些。一般来说，平衡树每个节点包含2个指针（分别指向左右子树），而skiplist每个节点包含的指针数目平均为1/(1-p)，具体取决于参数p的大小。如果像Redis里的实现一样，取p=1/4，那么平均每个节点包含1.33个指针，比平衡树更有优势。
5. 查找单个key，skiplist和平衡树的时间复杂度都为O(log n)，大体相当；而哈希表在保持较低的哈希值冲突概率的前提下，查找时间复杂度接近O(1)，性能更高一些。所以我们平常使用的各种Map或dictionary结构，大都是基于哈希表实现的。
6. 从算法实现难度上来比较，skiplist比平衡树要简单得多。

4 紧凑列表

对 ziplist 结构的改进，节省了存储空间。但是还未进行替换，只是增加了。首先这个 listpack 跟 ziplist 的结构几乎一摸一样，只是少了一个 zltail_offset 字段。ziplist 通过这个字段来定位出最后一个元素的位置，用于 逆序遍历。不过 listpack 可以通过其它方式来定位出最后一个元素的位置，所以 zltail_offset 字段就省掉了。

struct listpack { 
    int32 total_bytes; // 占用的总字节数 
    int16 size; // 元素个数 
    T[] entries; // 紧凑排列的元素列表 
    int8 end; // 同 zlend 一样，恒为 0xFF 
}

设置 zset 中 ziplist 的参数，主要是为了配置转换 skiplist 的参数。例如当待新加的新的字符串长度超过zset_max_ziplist_value（默认值64）时或者 ziplist 保存的节点数量超过 zset_max_ziplist_entries （默认值128）时使用skiplist。
zset-max-ziplist-entries 128
zset-max-ziplist-value 64
https://juejin.cn/post/6844904194952921101#heading-17