redis 系列7 数据结构之跳跃表

 一.概述

  跳跃表(skiplist)是一种有序数据结构,它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。在大部分情况下,跳跃表的效率可以和平衡树(关系型数据库的索引就是平衡树结构)相媲美,并且因为跳跃表的实现比平衡树要来得更为简单,所以有不少程序使用跳跃表来代替平衡树。

  Redis使用跳跃表作为"有序集合键"的底层实现之一,如果一个有序集合包含的元素数量比较多,又或者有序集合中元素的成员是比较长的字符串时,Redis就会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现。

  下面用到的命令zadd和zrange。 使用zadd 命令将多个成员(number)及其score值加入到有序集key中。number是有序集成员,score可以是整数值或双精度浮点数。使用zrange命令将返回有序集合中给定区间的元素,start从0开始,stop 结束下标。

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    -- zadd命令语法格式    ZADD key score member [[score member] [score member] ...]     -- zrange命令语法格式    ZRANGE key start stop [WITHSCORES]
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  例1:下面使用zadd将fruit-price作为一个有序集合键,每个节点元素包括score和number。其中 score是价格,number是水果名称。再使用zrange 读出有序集合元素。

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127.0.0.1:6379> zadd fruit-price 5.0 banana 6.5 cherry 8.0 apple         (integer) 3127.0.0.1:6379> zadd fruit-price 4.0 pear         (integer) 1127.0.0.1:6379> zrange  fruit-price 0 3 withscores         1) "pear"         2) "4"         3) "banana"         4) "5"         5) "cherry"         6) "6.5"         7) "apple"         8) "8"
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  在上例中fruit-price有序集合的所有数据都保存在一个跳跃表里面,其中每个跳跃表节点都保存了一款水果的价格信息,所有水果按价钱从低到高在跳跃表里面排序。对比链表和字典等数据结构在Redis内部广泛应用不同,Redis只在两个地方用到了跳跃表,一个是实现有序集合键,另一个是在集群节点中用作内部数据结构。

 

  1.1 跳跃表的实现

    Redis跳跃表由 redis.h/zskiplistNode和redis.h/zskiplist 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,比如节点数量,以及指向表头节点和表尾节点的指针等等。

    上图中展示了一个跳跃表示例,位于是左边的是zskiplist结构,该结构包括以下属性:

(1) header: 指向跳跃表的表头节点。这里为第一个zskiplistNode。

(2) tail : 指向跳跃表的表尾节点。这里为第四个zskiplistNode。

(3) level:记录目前跳跃表内,zskiplistNode节点中最大的层数(表头节点的层数不计算在内)。最大节点的层数是第四个zskiplistNode节点,值为5 (每个跳跃表节点的层高都是1到32之间的随机数)。

(4) length: 记录跳跃表的长度。也就是节点数量(表头节点不计算在内),这里值是3。

    上图中右方四个zskiplistNode节点,包含以下属性:   

      (1) 层level :  每个节点中用L1,L2,L3等字样标记节点的各个层,每个层都带有两个属性,包括前进指针和跨度。在上图里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。

      (2) 后退(backward)指针: 节点中用BW字样标记节点的后退指针,后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。

      (3)分值(socre) : 各个节点中的1.0,2.0,3.0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。

      (4)成员对象(obj): 各个节点中的01,02,03是节点所保存的成员对象。

   

  1.2 跳跃表节点

    下面对zskiplistNode和zskiplist两个结构进行更详细的介绍,跳跃表节点实现由redis.h/zskiplistNode结构定义。

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typedef struct zskiplistNode{              //            struct zskiplistNode{                 //
                        
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