Redis设计与实现 第 5 章 跳跃表

第 5 章 跳跃表

跳跃表是一种有序数据结构，通过在每个节点中维持多个指向其他节点的指针，从而达到快速访问节点的目的

支持平均 O(logN)、最坏 O(N) 复杂度的节点查找，还可以通过顺序性操作来批量处理节点

Redis 使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一，当有序集合包含的元素数量多，或者有序元素中成员是比较长的字符串时使用跳跃表来作为有序集合的底层实现

跳跃表也在 Redis 集群节点用作内部数据结构

5.1 跳跃表的实现

由 redis.h/zskiplistNode 和 redis.h/zskiplist 两个结构定义，前者是跳跃表的节点，后者是保存跳跃表节点的相关信息，如节点的数量，以及指向表头节点或者表尾节点的指针等等

最左边是 zskiplist 结构，属性如下：

• header：跳跃表表头节点
• tail：跳跃表表尾节点
• level：层数最大的节点的层数（表头节点不计算）

右边四个则是 zskiplistNode 结构，属性如下：

• 层 level：L1 第一层，以此类推，每层两个属性，前进指针和跨度

  • 前进指针：用于访问表尾方向的其他节点
  • 跨度：前进指针指向的节点和当前节点的距离

• 后退指针 backward：节点中 BW 标记节点的后退指针，指向位于当前节点的前一个节点，在从表尾向表头遍历时使用

• 分值：节点中1.0、2.0 是节点保存的分值，节点按保存的分值大小从小到大排序

• 成员对象：各个节点中的 o1, o2 和 o3 是节点保存的成员对象

表头节点和其他节点的构造一样，如后退指针、分值和成员对象，但不会被用到

5.1.1 跳跃表节点

由 redis.h/zskiplistNode 结构定义

1.层

level 数组有多个元素，每个元素都包含一共指向其他节点的指针，通过这些来加快访问其他节点的速度，一般而言，层的数量越多，访问其他节点的速度越快

每次创建新的节点时，程序根据幂次定律（越大的数出现的概率越小）随机生成一个 [1, 32] 之前的值作为 level 数组的大小，即高度

2.前进指针

每一层都有一个指向表尾方向的前进指针 (level[i].forward)，用于从表头向表尾方向访问节点

3.跨度

层的跨度 （level[i].span 属性）用于记录两个节点之间的距离

• 跨度越大，相隔越远
• 指向 NULL 的所有前进指针的跨度都为 0

跨度实际上是来计算排位：在查找某个节点的过程中，将沿途的所有层的跨度累积，则是目标节点在跳跃表中的排位

4.后退指针

用于从表尾向表头方向后退，因为只有一个后退指针，每次只能后退至前一个节点

5.分值和成员

分值：double 类型浮点数，跳跃表所有节点按分值大小排序

成员对象：指针，指向一个字符串对象，字符串对象保存 SDS 值

在同一个跳跃表中，各个节点保存的成员对象必须是唯一的，但是节点保存的分值可以相同；分值相同则按照成员对象在字典序中的大小来进行排序，小的会在靠近表头方向

5.1.2 跳跃表

多个跳跃节点可以组成一个新的跳跃表

但如果使用 zskiplist 结构来持有这些节点，可以更方便地管理

• header 指向表头节点，O(1)

• tail 指向表尾节点，O(1)

• length 节点的数量，O(1)

• level 跳跃表中层高最大节点的层数量，不包括表头节点