Redis系列之底层数据结构跳表SkipList

SmileNicky

发布于 2025-01-27 00:03:48

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Redis系列之底层数据结构跳表SkipList

什么是SkipList？

SkipList顾名思义，本质也是一个list数据结构，SkipList是在有序链表的基础上发展来的。如图，就是一个有序链表

如果链表元素太多了，查找就会变慢，时间复杂度会很高，是 O(n)。所以可以在有序链表的基础上，增加n层索引，如图，要查找23的位置，只需要在22->35中间查找即可，往下面一层查找，和27对比，马上就能找到

上面结构是只有两层数据，真实的SkipList是有多层的，所以查找过程不需要每个节点都查找。只需要根据每一层的索引，跳过很多中间的节点，查找速度大大提高。查找的时间复杂度可以降低到O(log n)

SkipList优缺点

SkipList相对于普通的链表，查找效率更快，但是数据结构是通过添加很多层的索引实现快速查找的，所以会相对比较占用存储空间

什么时候使用SkipList?

在redis ZSet这种数据类型中，默认使用ziplist编码，如果元素数量大于等于128个，或者任一个member长度大于等于64字节，使用skiplist+dict存储，在Redis中的配置

zset-max-ziplist-entries 128
zset-max-ziplist-value 64

SkipList底层实现

SkipList实现，在Redis中没有专门的类，代码在server.h，代码链接：https://github.com/redis/redis/blob/6.0/src/server.h

/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    sds ele; // sds数据
    double score; 
    struct zskiplistNode *backward; // 后退指针
    struct zskiplistLevel { // 层级数组
        struct zskiplistNode *forward; // 前进指针
        unsigned long span; // 跨度
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist { // 跳表列表
    struct zskiplistNode *header, *tail; // 头尾节点
    unsigned long length; // 节点数量
    int level; // 最大的节点层级
} zskiplist;

跳表SkipList添加节点的方法zslInsert：https://github.com/redis/redis/blob/6.0/src/t_zset.c

zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, sds ele) {
    zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
    unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];
    int i, level;

    serverAssert(!isnan(score));
    x = zsl->header;
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
        /* store rank that is crossed to reach the insert position */
        rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];
        while (x->level[i].forward &&
                (x->level[i].forward->score < score ||
                    (x->level[i].forward->score == score &&
                    sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0)))
        {
            rank[i] += x->level[i].span;
            x = x->level[i].forward;
        }
        update[i] = x;
    }
    /* we assume the element is not already inside, since we allow duplicated
     * scores, reinserting the same element should never happen since the
     * caller of zslInsert() should test in the hash table if the element is
     * already inside or not. */
    level = zslRandomLevel();
    if (level > zsl->level) {
        for (i = zsl->level; i < level; i++) {
            rank[i] = 0;
            update[i] = zsl->header;
            update[i]->level[i].span = zsl->length;
        }
        zsl->level = level;
    }
    x = zslCreateNode(level,score,ele);
    // 不同层级建立链表联系
    for (i = 0; i < level; i++) {
        x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
        update[i]->level[i].forward = x;

        /* update span covered by update[i] as x is inserted here */
        x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
        update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;
    }
	
    /* increment span for untouched levels */
    for (i = level; i < zsl->level; i++) {
        update[i]->level[i].span++;
    }

    x->backward = (update[0] == zsl->header) ? NULL : update[0];
    if (x->level[0].forward)
        x->level[0].forward->backward = x;
    else
        zsl->tail = x;
    zsl->length++;
    return x;
}

ZSKIPLIST_MAXLEVEL默认32 定义在server.h

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32 /* Should be enough for 2^64
elements */

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原始发表：2025-01-25，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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