Redis系列(七)底層數據結構之跳躍表

• 前言
• 定義
• 層級問題
• 順序問題
• 排名問題
• 總結
• 參考文章
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前言

Redis 已是你們耳熟能詳的東西了，平常工做也都在使用，面試中也是高頻的會涉及到，那麼咱們對它究竟瞭解有多深入呢？

我讀了幾本 Redis 相關的書籍，嘗試去了解它的具體實現，將一些底層的數據結構及實現原理記錄下來。

本文將介紹 Redis 中底層的 skiplist（跳躍表） 的實現方法。 它是 Redis 中有序集合鍵底層實現之一。

能夠看到圖中，當我在zsetkey中放入了兩個簡單的值時，編碼爲 ziplist, 而當我插入一個較長的值，zset 的編程方式成爲了 skiplist.

對於跳躍表這個數據結構，其底層實現原理及代碼實現，本文就不細講了，若是不太清楚的讀者能夠看一下這個文章 跳錶的原理%E7%9A%84%E5%8E%9F%E7%90%86%E5%8F%8AConcurrentSkipListMap%E7%9A%84%E6%BA%90%E7%A0%81%E5%AD%A6%E4%B9%A0/#%E6%A6%82%E8%BF%B0), 或者自行 google 瞭解。

本文僅對 Redis 中跳躍表的實現作一個學習。

定義

首先讓咱們來看一下，skiplist 的定義：

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

這幾個屬性比較簡單，其中header, tail能夠在 O(1) 的時間複雜度內定位到跳躍表的頭部和尾部，length能夠在 O(1) 時間複雜度內獲得跳躍表的長度。level能夠知道當前跳躍表最高的層，從而開始從高向低進行查找。

其中 skiplistNode 的節點的定義爲：

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

這個節點的定義有點東西的。

若是瞭解 Java 中的ConcurrentSkipListMap的實現，或者看了上面個人那篇文章的話，就會知道，在 Java 中，一個 所謂的 節點（或者叫索引） 是有兩個指針的，一個指向右側的下一個索引，一個指向本身的下一層索引。

可是 Redis 不是這麼實現的，在上面的定義中，能夠看到zskiplistLevel這個結構是一個數組，用一個數組來保存，本節點，以及本節點在全部層的索引.

每一個索引中，有兩個屬性，

• forward

指向右側的指針，能夠在當前層，繼續向右走。

• 跨度

這個屬性設計的很巧妙，能夠用它來計算當前節點在 跳躍表中的一個排名，這就 zset 提供了查看排名的功能。

• backward

後退的指針，若是在高層索引向右走的太多了，能夠用後退指針來向後退。

• score and obj

這兩個屬性用來保存當前節點的真正值以及分值。

層級問題

在 Java 中的ConcurrentSkipListMap的實現中，索引每一次向上升級或者不升級，都是隨機的，所以：

1. 一個節點是不是一級索引的機率是 50%.
2. 是不是二級索引的機率是 25%.

...

而在 Redis 中，新添加一個節點時，會給該節點隨機一個索引層數，並且機率是 25%. 以後將該節點的各層索引與左右的索引相連接。

因爲機率是 25%, 所以 Redis 的跳躍表相對於 Java 中的跳躍表，結構更加扁平一些，在查找的時候，在同級索引上可能須要多查詢幾個。

也是由於結構扁平，所以索引的數量並非徹底的等同於節點數，額外的內存佔用只有 50%. 能夠爲 Redis 服務器節省一點內存。

順序問題

咱們知道，在 zset 中，是能夠存儲分數同樣的值的，此時內部如何存儲？直接進行無序存儲嗎？

若是是這樣，當一個 zset 中，全部元素的分值都同樣，跳躍表表的性能就會退化成鏈表的性能嗎？

不是這樣的，Redis 除了按照分值排序以外，還會按照字符串的字典序來存儲。

排名問題

前面提到了 跨度 這個屬性，當咱們須要查找某個元素的排名時，跳躍表首先開始一次查詢過程，找到該節點時，也能夠找到從頂層索引找到該節點的 查找路徑, 將 路徑上的全部節點的 跨度 值相加就是該節點的排名。

總結

Redis 的跳躍表，和 其餘語言實現的跳躍表，整體思路同樣，在實現方式上有一些本身的小技巧。

跳躍表示 有序集合鍵 的底層實現之一，表中元素按照 score 大小進行排序，當 score 相同時，元素按照字符串的字典大小進行排序。

相比於 Java 的跳躍表，Redis 的跳躍表的索引層級更加扁平，能夠節省一些內存。

參考文章

《Redis 的設計與實現（第二版）》

《Redis 深度歷險：核心原理和應用實踐》

完。

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