Redis底层ZSet跳表是如何设计与实现的

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Redis底层ZSet跳表设计与实现

Redis中的有序集合(ZSet)是一种复合数据结构,它结合了哈希表和跳表(Skip List)来保证数据的有序性和高效的访问性能。在这里,我们将重点讨论跳表的设计与实现,它是ZSet实现中的关键部分。

跳表(Skip List)简介

跳表是一种概率性数据结构,它通过在多个层上添加前进指针来提高链表的查找效率。跳表的效率可以与平衡树相媲美,即在平均情况下,跳表的查找、插入和删除操作的时间复杂度都是O(log n)。

跳表的结构

跳表由多层链表组成,每一层都是一个有序的链表。最底层(Level 0)包含所有的元素。每一层都是下一层的一个“子集”,其中包含的元素通过一个随机过程选取。一个元素在跳表中的层数是通过一个随机化过程决定的,通常是通过抛硬币的方式来决定是否提升层级。

基本元素

  • 节点(Node):每个节点包含了数据和多个指向其他节点的指针(每一层一个)。

  • 头节点(Header):跳表的开始节点,它的指针指向各层的第一个实际节点。

  • 尾节点(NIL):标记跳表的结束,所有层的最后一个节点都指向NIL。

Redis中跳表的实现

在Redis中,跳表的实现是通过以下几个关键的结构体来定义的:

typedef struct zskiplistNode {
    sds ele; // 元素值
    double score; // 分数,用于排序
    struct zskiplistNode *backward; // 后退指针
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward; // 前进指针
        unsigned int span; // 跨度
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail; // 头尾节点
    unsigned long length; // 节点数量
    int level; // 层数
} zskiplist;

关键点

  • ele:存储元素的值,Redis中通常是字符串。

  • score:元素的分数,用于在有序集合中进行排序。

  • backward:指向前一个节点,用于从尾部向头部遍历。

  • level:一个动态大小的数组,包含前进指针和跨度。跨度表示当前节点到下一个节点的间隔。

  • header:指向跳表的头节点。

  • tail:指向跳表的尾节点。

  • length:表示跳表的长度,即节点的数量。

  • level:表示跳表的当前层数。

跳表的操作

插入操作

插入操作首先需要确定新节点的层数,然后从最高层开始搜索,直到找到每一层的插入位置。在找到插入位置后,需要调整指针并更新跨度。

删除操作

删除操作需要找到要删除的节点,并在每一层中删除它,同时更新指针和跨度。

查找操作

查找操作从最高层开始,逐层向下搜索,直到找到目标节点或确定目标不存在。

总结

Redis中的跳表是ZSet实现的核心,它通过多层链表结构实现了高效的插入、删除和查找操作。跳表的随机化层级和前进指针使得它在维护有序元素集合时,能够提供与平衡树相似的性能,同时保持了链表的灵活性。

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