Redis系列(七)底层数据结构之跳跃表

• 前言
• 定义
• 层级问题
• 顺序问题
• 排名问题
• 总结
• 参考文章
• 联系我

前言

Redis 已是你们耳熟能详的东西了，平常工做也都在使用，面试中也是高频的会涉及到，那么咱们对它究竟了解有多深入呢？

我读了几本 Redis 相关的书籍，尝试去了解它的具体实现，将一些底层的数据结构及实现原理记录下来。

本文将介绍 Redis 中底层的 skiplist（跳跃表） 的实现方法。 它是 Redis 中有序集合键底层实现之一。

能够看到图中，当我在zsetkey中放入了两个简单的值时，编码为** ziplist**, 而当我插入一个较长的值，zset 的编程方式成为了 skiplist.

对于跳跃表这个数据结构，其底层实现原理及代码实现，本文就不细讲了，若是不太清楚的读者能够看一下这个文章 跳表的原理, 或者自行 google 了解。

本文仅对 Redis 中跳跃表的实现作一个学习。

定义

首先让咱们来看一下，skiplist 的定义：

typedef struct zskiplist{
    // 表头结点和尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    // 表中节点的数量
    unsigned int length;
    // 表中层数最大的节点的层数
    int level;
} zskiplist;
复制代码

这几个属性比较简单，其中header, tail能够在 O(1) 的时间复杂度内定位到跳跃表的头部和尾部，length能够在 O(1) 时间复杂度内获得跳跃表的长度。level能够知道当前跳跃表最高的层，从而开始从高向低进行查找。

其中 skiplistNode 的节点的定义为：

typedef struct zskiplistNode{
    struct zskiplistLevel{
        // 前进指针
        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度
    } level[];
    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    // 分值
    double score;
    // 成员对象
    robj *obj;
} zskiplistNode;
复制代码

这个节点的定义有点东西的。

若是了解 Java 中的ConcurrentSkipListMap的实现，或者看了上面个人那篇文章的话，就会知道，在 Java 中，一个 所谓的 节点（或者叫索引） 是有两个指针的，一个指向右侧的下一个索引，一个指向本身的下一层索引。

可是 Redis 不是这么实现的，在上面的定义中，能够看到zskiplistLevel这个结构是一个数组，用一个数组来保存，本节点，以及本节点在全部层的索引.

每一个索引中，有两个属性，

• forward

指向右侧的指针，能够在当前层，继续向右走。

• 跨度

这个属性设计的很巧妙，能够用它来计算当前节点在 跳跃表中的一个排名，这就 zset 提供了查看排名的功能。

• backward

后退的指针，若是在高层索引向右走的太多了，能够用后退指针来向后退。

• score and obj

这两个属性用来保存当前节点的真正值以及分值。

层级问题

在 Java 中的ConcurrentSkipListMap的实现中，索引每一次向上升级或者不升级，都是随机的，所以：

1. 一个节点是不是一级索引的几率是 50%.
2. 是不是二级索引的几率是 25%. ...

而在 Redis 中，新添加一个节点时，会给该节点随机一个索引层数，并且几率是 25%. 以后将该节点的各层索引与左右的索引相连接。

因为几率是 25%, 所以 Redis 的跳跃表相对于 Java 中的跳跃表，结构更加扁平一些，在查找的时候，在同级索引上可能须要多查询几个。

也是由于结构扁平，所以索引的数量并非彻底的等同于节点数，额外的内存占用只有 50%. 能够为 Redis 服务器节省一点内存。

顺序问题

咱们知道，在 zset 中，是能够存储分数同样的值的，此时内部如何存储？直接进行无序存储吗？

若是是这样，当一个 zset 中，全部元素的分值都同样，跳跃表表的性能就会退化成链表的性能吗？

不是这样的，Redis 除了按照分值排序以外，还会按照字符串的字典序来存储。

排名问题

前面提到了 跨度 这个属性，当咱们须要查找某个元素的排名时，跳跃表首先开始一次查询过程，找到该节点时，也能够找到从顶层索引找到该节点的 查找路径, 将 路径上的全部节点的 跨度 值相加就是该节点的排名。

总结

Redis 的跳跃表，和 其余语言实现的跳跃表，整体思路同样，在实现方式上有一些本身的小技巧。

跳跃表示 有序集合键 的底层实现之一，表中元素按照 score 大小进行排序，当 score 相同时，元素按照字符串的字典大小进行排序。

相比于 Java 的跳跃表，Redis 的跳跃表的索引层级更加扁平，能够节省一些内存。

参考文章

《Redis 的设计与实现（第二版）》

《Redis 深度历险：核心原理和应用实践》

完。

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