Redis跳跃表

Redis跳跃表

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跳跃表(skiplist)是一种随机化的数据, 由 William Pugh 在论文《Skip lists: a probabilistic alternative to balanced trees》中提出, 跳跃表以有序的方式在层次化的链表中保存元素, 效率和平衡树媲美 —— 查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成, 并且比起平衡树来说, 跳跃表的实现要简单直观得多。

以下是个典型的跳跃表例子(图片来自维基百科):

../_images/skiplist.png

从图中可以看到, 跳跃表主要由以下部分构成:

  • 表头(head):负责维护跳跃表的节点指针。
  • 跳跃表节点:保存着元素值,以及多个层。
  • 层:保存着指向其他元素的指针。高层的指针越过的元素数量大于等于低层的指针,为了提高查找的效率,程序总是从高层先开始访问,然后随着元素值范围的缩小,慢慢降低层次。
  • 表尾:全部由 NULL 组成,表示跳跃表的末尾。

因为跳跃表的定义可以在任何一本算法或数据结构的书中找到, 所以本章不介绍跳跃表的具体实现方式或者具体的算法, 而只介绍跳跃表在 Redis 的应用、核心数据结构和 API 。

跳跃表的实现

为了满足自身的功能需要, Redis 基于 William Pugh 论文中描述的跳跃表进行了以下修改:

  1. 允许重复的 score 值:多个不同的 member 的 score 值可以相同。
  2. 进行对比操作时,不仅要检查 score 值,还要检查 member :当 score 值可以重复时,单靠 score 值无法判断一个元素的身份,所以需要连 member 域都一并检查才行。
  3. 每个节点都带有一个高度为 1 层的后退指针,用于从表尾方向向表头方向迭代:当执行 ZREVRANGE 或 ZREVRANGEBYSCORE 这类以逆序处理有序集的命令时,就会用到这个属性。

这个修改版的跳跃表由 redis.h/zskiplist 结构定义:

typedef struct zskiplist {

    // 头节点,尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;

    // 节点数量
    unsigned long length;

    // 目前表内节点的最大层数
    int level;

} zskiplist;

跳跃表的节点由 redis.h/zskiplistNode 定义:

typedef struct zskiplistNode {

    // member 对象
    robj *obj;

    // 分值
    double score;

    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;

    // 层
    struct zskiplistLevel {

        // 前进指针
        struct zskiplistNode *forward;

        // 这个层跨越的节点数量
        unsigned int span;

    } level[];

} zskiplistNode;

以下是操作这两个数据结构的 API ,API 的用途与相应的算法复杂度:

函数作用复杂度
zslCreateNode创建并返回一个新的跳跃表节点最坏 [Math Processing Error]O(1)
zslFreeNode释放给定的跳跃表节点最坏 [Math Processing Error]O(1)
zslCreate创建并初始化一个新的跳跃表最坏 [Math Processing Error]O(1)
zslFree释放给定的跳跃表最坏 [Math Processing Error]O(N)
zslInsert将一个包含给定 score 和 member 的新节点添加到跳跃表中最坏 [Math Processing Error]O(N) 平均 [Math Processing Error]O(log⁡N)
zslDeleteNode删除给定的跳跃表节点最坏 [Math Processing Error]O(N)
zslDelete删除匹配给定 member 和 score 的元素最坏 [Math Processing Error]O(N) 平均 [Math Processing Error]O(log⁡N)
zslFirstInRange找到跳跃表中第一个符合给定范围的元素最坏 [Math Processing Error]O(N) 平均 [Math Processing Error]O(log⁡N)
zslLastInRange找到跳跃表中最后一个符合给定范围的元素最坏 [Math Processing Error]O(N) 平均 [Math Processing Error]O(log⁡N)
zslDeleteRangeByScore删除 score 值在给定范围内的所有节点最坏 [Math Processing Error]O(N2)
zslDeleteRangeByRank删除给定排序范围内的所有节点最坏 [Math Processing Error]O(N2)
zslGetRank返回目标元素在有序集中的排位最坏 [Math Processing Error]O(N) 平均 [Math Processing Error]O(log⁡N)
zslGetElementByRank根据给定排位,返回该排位上的元素节点最坏 [Math Processing Error]O(N) 平均 [Math Processing Error]O(log⁡N)

跳跃表的应用

和字典、链表或者字符串这几种在 Redis 中大量使用的数据结构不同, 跳跃表在 Redis 的唯一作用, 就是实现有序集数据类型。

跳跃表将指向有序集的 score 值和 member 域的指针作为元素, 并以 score 值为索引, 对有序集元素进行排序。

举个例子, 以下代码创建了一个带有 3 个元素的有序集:

redis> ZADD s 6 x 10 y 15 z
(integer) 3

redis> ZRANGE s 0 -1 WITHSCORES
1) "x"
2) "6"
3) "y"
4) "10"
5) "z"
6) "15"

在底层实现中, Redis 为 x 、 y 和 z 三个 member 分别创建了三个字符串, 值分别为 double 类型的 6 、 10 和 15 , 然后用跳跃表将这些指针有序地保存起来, 形成这样一个跳跃表:

digraph zset {
    rankdir = LR;

    node [shape = record, style = filled];
    
    edge [style = bold];

    skiplist [label ="<head>zskipNode\n(head) |<3> |<2> |<1> |<score>score\n NULL |<robj>robj\n NULL", fillcolor = "#F2F2F2"];
    six [label = "<head>zskipNode |<3> |<2> |<1> |<score>score\n 6 |<robj>robj\n x", fillcolor = "#95BBE3"];
    ten [label = "<head>zskipNode | <1> |<score>score\n 10 |<robj>robj\n y", fillcolor = "#95BBE3"];
    fiften [label = "<head>zskipNode |<3> |<2> |<1> |<score>score\n 15 |<robj>robj\n z", fillcolor = "#95BBE3"];

    skiplist:3 -> six:3; 
    skiplist:2 -> six:2;
    skiplist:1 -> six:1;
    six:1 -> ten:1;
    six:2 -> fiften:2;
    six:3 -> fiften:3;
    ten:1 -> fiften:1;

    null_1 [label = "NULL", shape=plaintext];
    null_2 [label = "NULL", shape=plaintext];
    null_3 [label = "NULL", shape=plaintext];

    fiften:1 -> null_1;
    fiften:2 -> null_2;
    fiften:3 -> null_3;

}

为了方便展示, 在图片中我们直接将 member 和 score 值包含在表节点中, 但是在实际的定义中, 因为跳跃表要和另一个实现有序集的结构(字典)分享 member 和 score 值, 所以跳跃表只保存指向 member 和 score 的指针。 更详细的信息,请参考《有序集》章节。

小结

  • 跳跃表是一种随机化数据结构,查找、添加、删除操作都可以在对数期望时间下完成。
  • 跳跃表目前在 Redis 的唯一作用,就是作为有序集类型的底层数据结构(之一,另一个构成有序集的结构是字典)。
  • 为了满足自身的需求,Redis 基于 William Pugh 论文中描述的跳跃表进行了修改,包括:
    1. score 值可重复。
    2. 对比一个元素需要同时检查它的 score 和 memeber 。
    3. 每个节点带有高度为 1 层的后退指针,用于从表尾方向向表头方向迭代。

via: https://redisbook.readthedocs.io/en/latest/internal-datastruct/skiplist.html

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