高阶数据结构学习之跳表

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  • 3skiplist跟平衡搜索树和哈希表的对比

1相关概念

  1. 假如我们每相邻两个节点升高一层,增加一个指针,让指针指向下下个节点,如下图b所示。这样所有新增加的指针连成了一个新的链表,但它包含的节点个数只有原来的一半。由于新增加的指针,我们不再需要与链表中每个节点逐个进行比较了,需要比较的节点数大概只有原来的一半。

  2. 以此类推,我们可以在第二层新产生的链表上,继续为每相邻的两个节点升高一层,增加一个指针,从而产生第三层链表。如下图c,这样搜索效率就进一步提高了。

  3. skiplist正是受这种多层链表的想法的启发而设计出来的。实际上,按照上面生成链表的方式,上面每一层链表的节点个数,是下面一层的节点个数的一半,这样查找过程就非常类似二分查找,使得查找的时间复杂度可以降低到O(log n)。但是这个结构在插入删除数据的时候有很大的问题,插入或者删除一个节点之后,就会打乱上下相邻两层链表上节点个数严格的2:1的对应关系。如果要维持这种对应关系,就必须把新插入的节点后面的所有节点(也包括新插入的节点)重新进行调整,这会让时间复杂度重新蜕化成O(n)。
    高阶数据结构学习之跳表_第1张图片

  4. skiplist的设计为了避免这种问题,做了一个大胆的处理,不再严格要求对应比例关系,而是插入一个节点的时候随机出一个层数。这样每次插入和删除都不需要考虑其他节点的层数,这样就好处理多了。细节过程入下图:

高阶数据结构学习之跳表_第2张图片

平均时间复杂度O(logN)

插入节点的关键是找到这个位置的前一个节点

2相关题目

1206. 设计跳表链接

链接: 1206. 设计跳表

描述

高阶数据结构学习之跳表_第3张图片

代码

struct SkiplistNode
{
	int _val;
	vector<SkiplistNode*> _nextV;
	SkiplistNode(int val, int level)
		:_val(val)
		, _nextV(level, nullptr)
	{}
};

class Skiplist {
    typedef SkiplistNode Node;
public:
    Skiplist() {
        srand(time(0));
        _head=new SkiplistNode(-1,0);
    }
    
	bool search(int target) {
		Node* cur = _head;
		int level = _head->_nextV.size() - 1;
		while (level >= 0)
		{
			// 目标值比下一个节点值要大,向右走
			// 下一个节点是空(尾),目标值比下一个节点值要小,向下走
			if (cur->_nextV[level] && cur->_nextV[level]->_val < target)
			{
				// 向右走
				cur = cur->_nextV[level];
			}
			else if (cur->_nextV[level] == nullptr || cur->_nextV[level] -> _val > target)
			{
				// 向下走
				--level;
			}
			else
			{
				return true;
			}
		}
		return false;
	}

    vector<Node*> FindPrevNode(int num)
	{
		Node* cur = _head;
		int level = _head->_nextV.size() - 1;
		// 插入位置每一层前一个节点指针
		vector<Node*> prevV(level + 1, _head);
		while (level >= 0)
		{
			// 目标值比下一个节点值要大,向右走
			// 下一个节点是空(尾),目标值比下一个节点值要小,向下走
			if (cur->_nextV[level] && cur->_nextV[level]->_val < num)
			{
				// 向右走
				cur = cur->_nextV[level];
			}
			else if (cur->_nextV[level] == nullptr || cur->_nextV[level]->_val >= num)
			{
				// 更新level层前一个
				prevV[level] = cur;
				// 向下走
				--level;
			}
		}
		return prevV;
	}
    
    void add(int num) {
		vector<Node*> prevV = FindPrevNode(num);
		int n = RandomLevel();
		Node* newnode = new Node(num, n);
		// 如果n超过当前最大的层数,那就升高一下_head的层数
		if (n > _head->_nextV.size())
		{
			_head->_nextV.resize(n, nullptr);
			prevV.resize(n, _head);
		}
		// 链接前后节点
		for (size_t i = 0; i < n; ++i)
		{
			newnode->_nextV[i] = prevV[i]->_nextV[i];
			prevV[i]->_nextV[i] = newnode;
		}
	}
    
    bool erase(int num) {
		vector<Node*> prevV = FindPrevNode(num);
		// 第一层下一个不是val,val不在表中
		if (prevV[0]->_nextV[0] == nullptr || prevV[0]->_nextV[0]->_val !=num)
		{
			return false;
		}
		else
		{
			Node* del = prevV[0]->_nextV[0];
			// del节点每一层的前后指针链接起来
			for (size_t i = 0; i < del->_nextV.size(); i++)
			{
				prevV[i]->_nextV[i] = del->_nextV[i];
			}
			delete del;
			// 如果删除最高层节点,把头节点的层数也降一下
			int i = _head->_nextV.size() - 1;
			while (i >= 0)
			{
				if (_head->_nextV[i] == nullptr)
					--i;
				else
					break;
			}
			_head->_nextV.resize(i + 1);
			return true;
		}
	}

    //随机生成节点层数
    int RandomLevel()
    {
        size_t level=1;
        while(rand()<RAND_MAX*_p && level<_maxLevel)
        {
            ++level;
        }
        return level;
    }
private:
    Node* _head;
    size_t _maxLevel=32;
    double _p=0.25;
};

/**
 * Your Skiplist object will be instantiated and called as such:
 * Skiplist* obj = new Skiplist();
 * bool param_1 = obj->search(target);
 * obj->add(num);
 * bool param_3 = obj->erase(num);
 */

3skiplist跟平衡搜索树和哈希表的对比

  1. skiplist相比平衡搜索树(AVL树和红黑树)对比,都可以做到遍历数据有序,时间复杂度也差不多。
    skiplist的优势是:
    a、skiplist实现简单,容易控制。平衡树增删查改遍历都更复杂。
    b、skiplist的额外空间消耗更低。平衡树节点存储每个值有三叉链,平衡因子/颜色等消耗。skiplist中p=1/2时,每个节点所包含的平均指针数目为2;skiplist中p=1/4时,每个节点所包含的平均指针数目为1.33;
  2. skiplist相比哈希表而言,就没有那么大的优势了。
    相比而言a、哈希表平均时间复杂度是O(1),比skiplist快。
    b、哈希表空间消耗略多一点。
    skiplist优势如下:
    a、遍历数据有序
    b、skiplist空间消耗略小一点,哈希表存在链接指针和表空间消耗。
    c、哈希表扩容有性能损耗。
    d、哈希表再极端场景下哈希冲突高,效率下降厉害,需要红黑树补足接力

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