Redis 阅读笔记-跳跃表

跳跃表

跳跃表是一种有序数据结构，他通过每个节点维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问的目的。
跳跃表平均支持O(logN),最坏O(N)复杂度的节点查找，还可以通过顺序性来批量处理节点。

Redis使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一，如果一个有序集合包含的元素的数量比较多，或者有序集合中元素的成员是比较长的字符串时，Redis会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现。

Redis只在两个地方用到了跳跃表，一个是实现有序集合键，另一个是在集群节点中作为内部数据结构。

Redis跳跃表的实现

Redis的跳跃表由redis.h/zskiplistNode和redis.h/zskiplist两个结构定义，其中zskiplistNode结构用于表示跳跃表节点，而zskiplist结构表示保存跳跃表节点的相关信息。图1表示跳跃表实例：

图1最左边是zskiplist结构，该结构包括一下属性：
header: 指向跳跃表的表头节点
tail：指向跳跃表的表尾节点
level: 目前跳跃表内，层数最大的哪个节点的层数(表头节点的层数不计算在内)
length: 记录跳跃表的长度，即跳跃表目前包含节点的数量

位于zskiplist结构右方的4个zskiplistNode结构，包含一下属性：
层(level): 节点中用L1，L2，L3标记节点的各个层， L1表示第一层， L2表示第二层， L3表示第三层，以此类推。每个层有两个属性：前进指针和跨度。前进指针用于访问表尾方向的其他节点，而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。在图1中，连线上带有数字的箭头就表示前进指针， 那个数字表示跨度。当程序进行遍历时，会沿着层的前进指针进行。
后退指针(backward):节点中BW字样表示标记节点的后退指针，位于当前节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。
分值(score): 各个节点中1.0，2.0， 3.0表示节点所保存的分值，节点按各自保存的分值大小从小到大排列。
成员对象(ob): 各个节点的o1, o2, o3表示节点保存成员对象。

跳跃表节点

跳跃表节点是由redis.h/zskiplistNode结构定义

typeof struct zskiplistNode {
    // 层
    struct zskiplistLevel {
        //前进指针
        struct zskiplistNode *forward;
        //跨度
        unsigined int span;
    } zskiplistLeve;
    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    //分值
    double score;
    //成员对象
    robj *obj;
}zskiplistNode;

1、层
跳跃表的level数组可以包含多个元素，每个元素包含一个指向其他节点的指针，程序可以通过层来加快访问其他节点的速度。一般来说层的数量越多，访问其他节点的速度越快。下图2表示高度不同的节点：

2、前进指针
每个层都有一个指向表尾的前进指针(level[i].forward属性)，用于从表头向表尾方向访问节点。遍历跳跃表中所有节点的路径， 如下图3所示：

3、跨度
层的跨度(level[i].span属性)，用于记录两个节点的距离。
1）节点的跨度越大，就相距越远。
2）指向NULL所有前进指针的跨度都是0
跨度的作用：实际上是用来计算排位(rank)的，在查找某个节点的过程中，将沿途所访问层的跨度累计起来，得到的结果就是目标节点在跳跃表的排位。

4、后退指针
节点的后退指针(backward属性)用于表示表尾向表头方向访问节点。可以与一次跳过多个前进节点不同，每个节点只有一个后退指针，且每次只能后退至前一个节点。

5、分值和成员
节点的分值(score属性)是一个double类型的浮点数，跳跃表中的所有浮点数都是按分值从小到大排列
节点的成员对象(obj属性)是一个指针，指向字符串对象，而字符串对象保存的是SDS值

跳跃表

zskiplist的结果定义如下

typeof struct zskiplist {
    //表头节点和表尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    //表中节点的数量
    unsigned long length；
    //表示层数最大节点的层数
    int level；
}zskiplist;

下图是多个跳跃节点组成的跳跃表

仅靠多个跳跃表节点就一个组成一个跳跃表，通过使用一个zskiplist结构来持有这些节点，程序可以更方便的对整个跳跃表进行处理，如快速访问表头节点和表尾节点，快速获取跳跃表的数量等信息， 如下图所示：