1 Star 0 Fork 1.5K

沐瑶 / LearningNotes

forked from 陌溪 / LearningNotes 
Create your Gitee Account
Explore and code with more than 6 million developers,Free private repositories !:)
Sign up
Clone or download
README.md 6.75 KB
Copy Edit Web IDE Raw Blame History
陌溪 authored 2020-06-28 15:46 . 增加算法部分

Redis中的跳跃表

前言

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

什么是跳跃表

对于单个链表来讲,即便链表中存储的数据是有序的,如果我们要向在其中查找某个数据,它只能从头到尾遍历链表。这样查找效率就会很低,时间复杂度会很高,达到了O(n)。

image-20200626083207599

如果我们想要提高其查询效率,可以考虑在链表上构建索引的 方式,每两个节点提取一个节点到上级,我们把抽出来的那一级就叫做索引。

image-20200626083217149

这个时候,我们假设要查找节点8,我们可以心在索引层遍历,当遍历到索引层中值为7的节点时,发现下一个节点是9,那么要查找的节点肯定在这两个节点之间,我们下降到链表层继续遍历就找到了8这个节点。。原来我们在单链表中找到8这个节点要遍历8个节点,而现在有了一级索引后,只需要遍历5个节点。

从上个例子中,我们可以看出,加来一层索引后,查找一个节点需要遍历的节点个数减少了,也就是说查询效率得到了提升,同理我们在一级索引的基础上,在加二级索引。

image-20200626084038222

从图中我们可以看出,查找效率又有了提升,因为在这里例子中我们的数据量很少,当有大量的数据时,我们可以增加多级索引,在查询时,效率可以得到明显的提升。

image-20200626084148758

像这种链表增加多种索引的结构,就是跳跃表。

Redis中的跳跃表

从上面跳跃表的定义我们可以知道,如果使用跳跃表作为底层的数据结构,那么需要保证 元素之间的有序性,而且sortSet我们知道,他就是一个元素和元素之间排序好。

Redis中使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一,以下几种情况将会让Redis使用跳跃表作为有序集合键的底层实现

  • 一个有序集合包含的元素数量比较多
  • 有序集合中元素的成员键比较长

跳跃表支持平均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。在大部分情况下,跳跃表的效率可以和平衡树相媲美,并且因为跳跃表的实现比平衡树要来得更为简单,所以有不少程序都使用跳跃表来代替平衡树。

那么为什么元素数量比较多或者比较长的字符串的时候,Redis要使用跳跃表来实现呢?

从上面我们知道,跳跃表就是在链表的基础上,增加了多级索引以提升查找的效率,其实就是一个空间换时间的方法,必然会带来一个问题 -- 索引是占内存的。

原始链表中存储的有可能是很大的对象,而索引节点只需要存储键值和几个指针,并不需要存储对象,因此当节点本身比较大或者元素数量比较多的时候,其优势必然会被放大,而缺点几乎可以忽略。

Redis中跳跃表的实现

Redis的跳跃表由zSkipListNode和skipList两个结构定义,其中zSkipListNode结构用于表示跳跃表节点,而zSkipList结构则用于保存跳跃表节点的相关信息,比如节点的数量,以及指向表头节点和表尾节点的指针等等。

image-20200626091014291

上图展示了一个跳跃表的实例,其中最左边的是skipList结构,该结构包含以下属性

  • header:指向跳跃表的表头节点,通过这个指针程序定位表头节点的时间复杂度就为O(1)
  • tail:指向跳跃表的表尾节点,通过这个指针程序定位表尾节点的时间复杂度就为O(1)
  • level:记录目前跳跃表内,层数最大的那个节点的层数(表头节点的层数不计算在内),通过这个属性可以再O(1)的时间复杂度内获取层高最好的节点的层数。
  • length:记录跳跃表的长度,也即是,跳跃表目前包含节点的数量(表头节点不计算在内),通过这个属性,程序可以再O(1)的时间复杂度内返回跳跃表的长度。

结构右方的是四个 zskiplistNode结构,该结构包含以下属性

节点中用L1、L2、L3等字样标记节点的各个层,L1代表第一层,L代表第二层,以此类推。

每个层都带有两个属性:前进指针和跨度。前进指针用于访问位于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(跨度越大、距离越远)。在上图中,连线上带有数字的箭头就代表前进指针,而那个数字就是跨度。当程序从表头向表尾进行遍历时,访问会沿着层的前进指针进行。

每次创建一个新跳跃表节点的时候,程序都根据幂次定律(powerlaw),越大的数出现的概率越小)随机生成一个介于1和32之间的值作为level数组的大小,这个大小就是层的“高度”。

  • 后退(backward)指针

节点中用BW字样标记节点的后退指针,它指向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。与前进指针所不同的是每个节点只有一个后退指针,因此每次只能后退一个节点。

  • 分值(score)

各个节点中的1.0、2.0和3.0是节点所保存的分值。在跳跃表中,节点按各自所保存的分值从小到大排列。

  • 成员对象(oj)

各个节点中的o1、o2和o3是节点所保存的成员对象。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,但是多个节点保存的分值却可以是相同的:分值相同的节点将按照成员对象在字典序中的大小来进行排序,成员对象较小的节点会排在前面(靠近表头的方向),而成员对象较大的节点则会排在后面(靠近表尾的方向)。

image-20200626092856081

本文重点

  • 跳跃表基于单链表加索引的方式实现
  • 跳跃表以空间换时间的方式提升了查找速度
  • Redis有序集合在节点元素较大或者元素数量较多时使用跳跃表实现
  • Redis的跳跃表实现由 zskiplist和 zskiplistnode两个结构组成,其中 zskiplist用于保存跳跃表信息(比如表头节点、表尾节点、长度),而zskiplistnode则用于表示跳跃表节点
  • Redis每个跳跃表节点的层高都是1至32之间的随机数
  • 在同一个跳跃表中,多个节点可以包含相同的分值,但每个节点的成员对象必须是唯一的,跳跃表中的节点按照分值大小进行排序,当分值相同时,节点按照成员对象的大小进行排序。

来源

https://www.cnblogs.com/hunternet/p/11248192.html

Comment ( 0 )

Sign in for post a comment

1
https://gitee.com/muyao_vip/LearningNotes.git
git@gitee.com:muyao_vip/LearningNotes.git
muyao_vip
LearningNotes
LearningNotes
master

Search

102255 3a0e046c 1850385 102255 7aaa926c 1850385