Redis原理再学习01:数据结构-跳跃表skiplist
跳跃表skiplist
简介
你一定比较好奇Redis里面的 sorted set 是怎么实现的,底层到底是什么?它的排序功能就是用到了这个skiplist-跳跃表。
什么是跳跃表?
跳跃表可以看做是链表的一个变种,一个多层顺序链表层级结构组成。它是一种顺序查找数据结构。
它是由William Pugh发明的,最早出现于他在1990年发表的论文《Skip Lists: A Probabilistic Alternative to Balanced Trees。
看一张图,能形象的记住
来自:http://prismoskills.appspot.com/lessons/Algorithms/Chapter_04_-_Skip_Lists.jsp
它有着堪比红黑树的效率,但是比红黑树的操作简单多了。
这里有一份跳跃表各种概念介绍,很详细:https://www.iteye.com/blog/kenby-1187303
Redis中的跳跃表
Redis中的数据结构定义和操作API,编写的非常简洁明了,十分适合阅读。
Redis 中就使用了这种数据结构,它用于zset的排序操作,数据结构定义如下:
数据结构定义:
// src/redis.h redis3.0 老版本结构简单
typedef struct zskiplistNode {
robj *obj; // 对象成员
double score; //分数
struct zskiplistNode *backward; //向后的指针
struct zskiplistLevel { //水平层级
struct zskiplistNode *forward; //向前指针
unsigned int span; // 跨度(redis中用于计算元素排名)
} level[];
} zskiplistNode;
typedef struct zskiplist {
struct zskiplistNode *header, *tail;
unsigned long length;
int level;
} zskiplist;
层 level:
跳跃表的节点的level数组可以包含多个元素,每个元素都包含一个指向其他节点的指针,程序可以通过这些层加快访问其他节点的速度。
层的高度怎么确定呢?
程序根据幂次定律随机生成一个介于1和32之间的值作为level数组的大小。
向前指针 forward:
用于访问前面的元素
跨度 span:
用于记录2个节点之间的距离。 如果指向NULL,那么跨度就为0。
分数 score:
是一个double的浮点数,跳跃表中的所有节点都是按照分值从小到大来排序的。
成员对象 obj:
是一个指针,指向一个字符串对象,字符串对象保存在SDS中。
在跳跃表中,各个节点保存的成员对象必须唯一,但是多个节点保存的分值却可以相同。分值按从小到大来排序,成员对象的分值较小的排在前面。
操作的API:
创建新的跳跃表
// src/t_zset.c redis3.0
zskiplist *zslCreate(void) {
int j;
zskiplist *zsl;
zsl = zmalloc(sizeof(*zsl));
zsl->level = 1;
zsl->length = 0;
zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL,0,NULL);
for (j = 0; j < ZSKIPLIST_MAXLEVEL; j++) {
zsl->header->level[j].forward = NULL;
zsl->header->level[j].span = 0;
}
zsl->header->backward = NULL;
zsl->tail = NULL;
return zsl;
}
创建跳跃表节点Node
zskiplistNode *zslCreateNode(int level, double score, robj *obj) {
zskiplistNode *zn = zmalloc(sizeof(*zn)+level*sizeof(struct zskiplistLevel));
zn->score = score;
zn->obj = obj;
return zn;
}
释放跳跃表以及表中包含的节点
// src/t_zset.c redis3.0
void zslFree(zskiplist *zsl) {
zskiplistNode *node = zsl->header->level[0].forward, *next;
zfree(zsl->header);
while(node) {
next = node->level[0].forward;
zslFreeNode(node);
node = next;
}
zfree(zsl);
}
插入节点到跳跃表中
// src/t_zset.c redis3.0
int zslRandomLevel(void) {
int level = 1;
while ((random()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))
level += 1;
return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, robj *obj) {
zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
// 记录每一层插入节点的前面一个节点在skiplist中的排名
unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];
int i, level;
redisAssert(!isnan(score));
x = zsl->header;
// 计算待插入点的位置
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
/* store rank that is crossed to reach the insert position */
rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];
// 先根据score比较,相等即根据sds的字符串字典序比较
while (x->level[i].forward &&
(x->level[i].forward->score < score ||
(x->level[i].forward->score == score &&
compareStringObjects(x->level[i].forward->obj,obj) < 0))) {
rank[i] += x->level[i].span;
x = x->level[i].forward;
}
update[i] = x;// 每一个层级的待插入位置,即当前层最后一个小于x的点
}
/* we assume the key is not already inside, since we allow duplicated
* scores, and the re-insertion of score and redis object should never
* happen since the caller of zslInsert() should test in the hash table
* if the element is already inside or not. */
level = zslRandomLevel();
// 如果计算出来的层级比当前层级高,则重设超出zsl原来层级的指针
if (level > zsl->level) {
for (i = zsl->level; i < level; i++) {
rank[i] = 0;
update[i] = zsl->header;
update[i]->level[i].span = zsl->length;
}
zsl->level = level;
}
x = zslCreateNode(level,score,obj);
for (i = 0; i < level; i++) {
x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
update[i]->level[i].forward = x;
/* update span covered by update[i] as x is inserted here */
x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;
}
/* increment span for untouched levels */
/* 自增没有到达的层级的span */
for (i = level; i < zsl->level; i++) {
update[i]->level[i].span++;
}
x->backward = (update[0] == zsl->header) ? NULL : update[0];
if (x->level[0].forward)
x->level[0].forward->backward = x;
else
zsl->tail = x;
zsl->length++;
return x;
}
删除节点
// src/t_zset.c redis3.0
/* Internal function used by zslDelete, zslDeleteByScore and zslDeleteByRank */
void zslDeleteNode(zskiplist *zsl, zskiplistNode *x, zskiplistNode **update) {
int i;
for (i = 0; i < zsl->level; i++) {
if (update[i]->level[i].forward == x) {
update[i]->level[i].span += x->level[i].span - 1;
update[i]->level[i].forward = x->level[i].forward;
} else {
update[i]->level[i].span -= 1;
}
}
if (x->level[0].forward) {
x->level[0].forward->backward = x->backward;
} else {
zsl->tail = x->backward;
}
while(zsl->level > 1 && zsl->header->level[zsl->level-1].forward == NULL)
zsl->level--;
zsl->length--;
}