Redis数据结构—跳跃表 skiplist

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简介: Redis数据结构—跳跃表 skiplist

       Redis是一个高性能的键值存储系统,它支持多种类型的数据结构来存储数据,包括字符串、哈希、列表、集合、有序集合等。其中,有序集合(Sorted Set)是一个特殊的数据结构,它能够存储成对的成员和分数,并且可以通过分数对成员进行排序。


       有序集合内部使用跳跃表(Skip List)作为其底层实现。跳跃表是一种概率型数据结构,它通过多层链表的方式,能够在对数期望时间内完成数据的插入、删除和查找操作。下面是跳跃表的一些基本特性:

  1. 多层链表结构:跳跃表由多层链表构成,每一层都是有序的。最底层的链表包含了所有元素,而每上升一层,链表中的元素数量就减少,但元素的跨度增加。
  2. 随机化层级:每个元素在跳跃表中的位置是随机确定的,通常使用1/2的概率决定当前元素是否提升到上一层。
  3. 快速访问:由于跳跃表的多层结构,可以在较短的路径上快速跳过多个元素,从而实现快速的查找操作。
  4. 动态调整:跳跃表可以在元素插入和删除时动态调整其层级结构,以保持操作的高效性。
  5. 有序性:跳跃表保证了元素的有序性,可以按照元素的自然顺序或者自定义的顺序进行排序
  6. 空间效率:相比于平衡树,跳跃表在某些情况下具有更好的空间效率,因为它不需要在每个节点上存储平衡因子。

       Redis使用跳跃表来实现有序集合,使得有序集合的操作非常高效,包括范围查询、成员的增加和删除等。跳跃表的这些特性使得Redis在处理大量数据时能够保持高性能。

       假设我们有一个有序集合,我们需要存储一些员工的姓名和他们的入职日期作为分数。我们希望按照入职日期对员工进行排序。以下是一些员工的姓名和入职日期:

  • Alice,入职日期:2010-01-01
  • Bob,入职日期:2012-03-15
  • Charlie,入职日期:2009-06-22
  • David,入职日期:2013-09-30

我们将这些员工信息添加到Redis的有序集合中:

  1. Alice的分数是20100101(日期转换为一个数值,例如2010年1月1日转换为20100101)。
  2. Bob的分数是20120315。
  3. Charlie的分数是20090622。
  4. David的分数是20130930。

在Redis内部,这些数据可能会以跳跃表的形式存储,类似于以下结构:


[Alice]->[Bob]->[David] ↓ ↓ [Charlie]----------------------------->


       在这个跳跃表中,最底层包含了所有元素,而Charlie由于随机化过程可能被提升到了第二层。这样,当我们需要查找或者遍历员工时,可以快速跳过一些元素,提高查找效率。


       例如,如果我们想要找到所有在2010年之后入职的员工,我们可以从列表的头部开始,快速跳过Charlie,然后找到Alice和Bob。由于David的分数(20130930)大于20100000,我们也可以快速地定位到他。


       跳跃表的这种结构使得有序集合的操作非常高效,尤其是在进行范围查询和有序遍历时。Redis利用跳跃表的这些特性,提供了非常快速的有序集合操作,包括但不限于:

  • ZADD:向有序集合添加元素。
  • ZRANGE:获取有序集合中指定范围内的元素。
  • ZREM:从有序集合中删除元素。
  • ZCARD:获取有序集合中的元素数量。

       这些操作都可以在对数时间内完成,使得Redis的有序集合成为一个非常强大的工具,用于处理需要排序的数据集合。

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