Redis設計與實現——數據結構（三）

跳躍表

跳躍表簡介

• 跳躍表（skiplist）是一種有序數據結構， 它通過在每個節點中維持多個指向其他節點的指針， 從而達到快速訪問節點的目的。

• 跳躍表支持平均 O(log N) 最壞 O(N) 複雜度的節點查找， 還可以通過順序性操作來批量處理節點。

• 在大部分情況下， 跳躍表的效率可以和平衡樹相媲美， 並且因爲跳躍表的實現比平衡樹要來得更爲簡單， 所以有不少程序都使用跳躍表來代替平衡樹。

Redis 使用跳躍表作爲有序集合鍵的底層實現之一： 如果一個有序集合包含的元素數量比較多， 又或者有序集合中元素的成員（member）是比較長的字符串時， Redis 就會使用跳躍表來作爲有序集合鍵的底層實現。

跳躍表的實現

跳躍表節點的實現由 redis.h/zskiplistNode 結構定義：

typedef struct zskiplistNode {
    // 後退指針
    struct zskiplistNode *backward;
    // 分值
    double score;
    // 成員對象
    robj *obj;
    // 層
    struct zskiplistLevel {
        // 前進指針
        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度
        unsigned int span;
    } level[];
} zskiplistNode;

zskiplist 結構的定義如下：

typedef struct zskiplist {
    // 表頭節點和表尾節點
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    // 表中節點的數量
    unsigned long length;
    // 表中層數最大的節點的層數
    int level;
} zskiplist;

初看上去， 很容易以爲跨度和遍歷操作有關， 但實際上並不是這樣 —— 遍歷操作只使用前進指針就可以完成了， 跨度實際上是用來計算排位（rank）的： 在查找某個節點的過程中， 將沿途訪問過的所有層的跨度累計起來， 得到的結果就是目標節點在跳躍表中的排位。

注意表頭節點和其他節點的構造是一樣的： 表頭節點也有後退指針、分值和成員對象， 不過表頭節點的這些屬性都不會被用到， 所以圖中省略了這些部分， 只顯示了表頭節點的各個層。

分值和成員

• 節點的分值（score 屬性）是一個 double 類型的浮點數， 跳躍表中的所有節點都按分值從小到大來排序。
• 節點的成員對象（obj 屬性）是一個指針， 它指向一個字符串對象， 而字符串對象則保存着一個 SDS 值。

在同一個跳躍表中， 各個節點保存的成員對象必須是唯一的， 但是多個節點保存的分值卻可以是相同的： 分值相同的節點將按照成員對象在字典序中的大小來進行排序， 成員對象較小的節點會排在前面（靠近表頭的方向）， 而成員對象較大的節點則會排在後面（靠近表尾的方向）。

參考資料

• 《Redis 設計與實現》