Redis必知必会之zset底层—Skip List跳跃列表(面试加分项)

本文涉及的产品
Redis 开源版,标准版 2GB
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简介: Redis必知必会之zset底层—Skip List跳跃列表(面试加分项)

一、简介

跳表全称叫做跳跃表,简称跳表。跳表是一个随机化的数据结构,实质就是一种可以进行二分查找的有序链表。跳表在原有的有序链表上面增加了多级索引,通过索引来实现快速查找。跳表不仅能提高搜索性能,同时也可以提高插入和删除操作的性能。


Skip List(跳跃列表)这种随机的数据结构,可以看做是一个二叉树的变种,它在性能上与红黑树、AVL树很相近;但是Skip List(跳跃列表)的实现相比前两者要简单很多,目前Redis的zset实现采用了Skip List(跳跃列表)(其它还有LevelDB等也使用了跳跃列表)。

RBT红黑树与Skip List(跳跃列表)简单对比:

RBT红黑树


插入、查询时间复杂度O(logn)

数据天然有序

实现复杂,设计变色、左旋右旋平衡等操作

需要加锁

Skip List跳跃列表


插入、查询时间复杂度O(logn)

数据天然有序

实现简单,链表结构

无需加锁


二、Skip List算法分析

2.1 Skip List论文

这里贴出Skip List的论文,需要详细研究的请看论文,下文部分公式、代码、图片出自该论文。

_Skip Lists: A Probabilistic Alternative to Balanced Trees _


https://www.cl.cam.ac.uk/teaching/2005/Algorithms/skiplists.pdf



2.2 Skip List动态图

先通过一张动图来了解Skip List的插入节点元素的流程,此图来自维基百科。image.png2.3 Skip List算法性能分析

2.3.1 计算随机层数算法

首先分析的是执行插入操作时计算随机数的过程,这个过程会涉及层数的计算,所以十分重要。对于节点他有如下特性:


节点都有第一层的指针

节点有第i层指针,那么第i+1层出现的概率为p

节点有最大层数限制,MaxLevel


计算随机层数的伪代码:

论文中的示例

image.png2.3.2 节点包含的平均指针数目

Skip List属于空间换时间的数据结构,这里的空间指的就是每个节点包含的指针数目,这一部分是额外的内内存开销,可以用来度量空间复杂度。random()是个随机数,因此产生越高的节点层数,概率越低(Redis标准源码中的晋升率数据1/4,相对来说Skip List的结构是比较扁平的,层高相对较低)。其定量分析如下:


level = 1 概率为1-p

level >=2 概率为p

level = 2 概率为p(1-p)

level >= 3 概率为p^2

level = 3 概率为p^2(1-p)

level >=4 概率为p^3

level = 4 概率为p^3(1-p)

……

得出节点的平均层数(节点包含的平均指针数目):image.png所以Redis中p=1/4计算的平均指针数目为1.33


2.3.3 时间复杂度计算

以下推算来自论文内容

假设p=1/2,在以p=1/2生成的16个元素的跳过列表中,我们可能碰巧具有9个元素,1级3个元素,3个元素3级元素和1个元素14级(这不太可能,但可能会发生)。我们该怎么处理这种情况?如果我们使用标准算法并在第14级开始我们的搜索,我们将会做很多无用的工作。那么我们应该从哪里开始搜索?此时我们假设SkipList中有n个元素,第L层级元素个数的期望是1/p个;每个元素出现在L层的概率是p^(L-1), 那么第L层级元素个数的期望是 n * (p^L-1);得到1 / p =n * (p^L-1)image.png所以我们应该选择MaxLevel = log(1/p)^n

定义:MaxLevel = L(n) = log(1/p)^n


推算Skip List的时间复杂度,可以用逆向思维,从层数为i的节点x出发,返回起点的方式来回溯时间复杂度,节点x点存在两种情况:


节点x存在(i+1)层指针,那么向上爬一级,概率为p,对应下图situation c.

节点x不存在(i+1)层指针,那么向左爬一级,概率为1-p,对应下图situation b.image.png上面推演的结果可知,爬升k个level的预期长度为k/p,爬升一个level的长度为1/p。


由于MaxLevel = L(n), C(k) = k / p,因此期望值为:(L(n) – 1) / p;将L(n) = log(1/p)^n 代入可得:(log(1/p)^n - 1) / p;将p = 1 / 2 代入可得:2 * log2^n - 2,即O(logn)的时间复杂度。



三、Skip List特性及其实现

2.1 Skip List特性

Skip List跳跃列表通常具有如下这些特性


Skip List包含多个层,每层称为一个level,level从0开始递增

Skip List 0层,也就是最底层,应该包含所有的元素

每一个level/层都是一个有序的列表

level小的层包含level大的层的元素,也就是说元素A在X层出现,那么 想X>Z>=0的level/层都应该包含元素A

每个节点元素由节点key、节点value和指向当前节点所在level的指针数组组成


2.2 Skip List查询

假设初始Skip List跳跃列表中已经存在这些元素,他们分布的结构如下所示:image.png从Skip List跳跃列表最顶层level3开始,往后查询到10 < 88 && 后续节点值为null && 存在下层level2

level2 10往后遍历,27 < 88 && 后续节点值为null && 存在下层level1

level1 27往后遍历,88 = 88,查询命中


2.3 Skip List插入

Skip List的初始结构与2.3中的初始结构一致,此时假设插入的新节点元素值为90,插入路线如下所示:


查询插入位置,与Skip List查询方式一致,这里需要查询的是第一个比90大的节点位置,插入在这个节点的前面, 88 < 90 < 100

构造一个新的节点Node(90),为插入的节点Node(90)计算一个随机level,这里假设计算的是1,这个level时随机计算的,可能时1、2、3、4…均有可能,level越大的可能越小,主要看随机因子x ,层数的概率大致计算为 (1/x)^level ,如果level大于当前的最大level3,需要新增head和tail节点

节点构造完毕后,需要将其插入列表中,插入十分简单步骤 -> Node(88).next = Node(90); Node(90).prev = Node(80); Node(90).next = Node(100); Node(100).prev = Node(90);image.png2.4 Skip List删除

删除的流程就是查询到节点,然后删除,重新将删除节点左右两边的节点以链表的形式组合起来即可,这里不再画图



四、手写实现一个简单Skip List

实现一个Skip List比较简单,主要分为两个步骤:


定义Skip List的节点Node,节点之间以链表的形式存储,因此节点持有相邻节点的指针,其中prev与next是同一level的前后节点的指针,down与up是同一节点的多个level的上下节点的指针

定义Skip List的实现类,包含节点的插入、删除、查询,其中查询操作分为升序查询和降序查询(往后和往前查询),这里实现的Skip List默认节点之间的元素是升序链表

3.1 定义Node节点

Node节点类主要包括如下重要属性:


score -> 节点的权重,这个与Redis中的score相同,用来节点元素的排序作用

value -> 节点存储的真实数据,只能存储String类型的数据

prev -> 当前节点的前驱节点,同一level

next -> 当前节点的后继节点,同一level

down -> 当前节点的下层节点,同一节点的不同level

up -> 当前节点的上层节点,同一节点的不同level

image.png3.2 SkipList节点元素的操作类

SkipList主要包括如下重要属性:


head -> SkipList中的头节点的最上层头节点(level最大的层的头节点),这个节点不存储元素,是为了构建列表和查询时做查询起始位置的,具体的结构请看2.3中的结构

tail -> SkipList中的尾节点的最上层尾节点(level最大的层的尾节点),这个节点也不存储元素,是查询某一个level的终止标志

level -> 总层数

size -> Skip List中节点元素的个数

random -> 用于随机计算节点level,如果 random.nextDouble() < 1/2则需要增加当前节点的level,如果当前节点增加的level超过了总的level则需要增加head和tail(总level)

package com.liziba.skiplist;
import java.util.Random;
/**
 * <p>
 *      跳表实现
 * </p>
 *
 * @Author: Liziba
 */
public class SkipList {
    /** 最上层头节点 */
    public Node head;
    /** 最上层尾节点 */
    public Node tail;
    /** 总层数 */
    public int level;
    /** 元素个数 */
    public int size;
    public Random random;
    public SkipList() {
        level = size = 0;
        head = new Node(null);
        tail = new Node(null);
        head.next = tail;
        tail.prev = head;
    }
    /**
     * 查询插入节点的前驱节点位置
     *
     * @param score
     * @return
     */
    public Node fidePervNode(Double score) {
        Node p = head;
        for(;;) {
            // 当前层(level)往后遍历,比较score,如果小于当前值,则往后遍历
            while (p.next.value == null && p.prev.score <= score)
                p = p.next;
            // 遍历最右节点的下一层(level)
            if (p.down != null)
                p = p.down;
            else
                break;
        }
        return p;
    }
    /**
     * 插入节点,插入位置为fidePervNode(Double score)前面
     *
     * @param score
     * @param value
     */
    public void insert(Double score, String value) {
        // 当前节点的前置节点
        Node preNode = fidePervNode(score);
        // 当前新插入的节点
        Node curNode = new Node(score, value);
        // 分数和值均相等则直接返回
        if (curNode.value != null && preNode.value != null && preNode.value.equals(curNode.value)
                  && curNode.score.equals(preNode.score)) {
            return;
        }
        preNode.next = curNode;
        preNode.next.prev = curNode;
        curNode.next = preNode.next;
        curNode.prev = preNode;
        int curLevel = 0;
        while (random.nextDouble() < 1/2) {
            // 插入节点层数(level)大于等于层数(level),则新增一层(level)
            if (curLevel >= level) {
                Node newHead = new Node(null);
                Node newTail = new Node(null);
                newHead.next = newTail;
                newHead.down = head;
                newTail.prev = newHead;
                newTail.down = tail;
                head.up = newHead;
                tail.up = newTail;
                // 头尾节点指针修改为新的,确保head、tail指针一直是最上层的头尾节点
                head = newHead;
                tail = newTail;
                ++level;
            }
            while (preNode.up == null)
                preNode = preNode.prev;
            preNode = preNode.up;
            Node copy = new Node(null);
            copy.prev = preNode;
            copy.next = preNode.next;
            preNode.next.prev = copy;
            preNode.next = copy;
            copy.down = curNode;
            curNode.up = copy;
            curNode = copy;
            ++curLevel;
        }
        ++size;
    }
    /**
     * 查询指定score的节点元素
     * @param score
     * @return
     */
    public Node search(double score) {
        Node p = head;
        for (;;) {
            while (p.next.score != null && p.next.score <= score)
                p = p.next;
            if (p.down != null)
                p = p.down;
            else // 遍历到最底层
                if (p.score.equals(score))
                    return p;
                return null;
        }
    }
    /**
     * 升序输出Skip List中的元素 (默认升序存储,因此从列表head往tail遍历)
     */
    public void dumpAllAsc() {
        Node p = head;
        while (p.down != null) {
            p = p.down;
        }
        while (p.next.score != null) {
            System.out.println(p.next.score + "-->" + p.next.value);
            p = p.next;
        }
    }
    /**
     * 降序输出Skip List中的元素
     */
    public void dumpAllDesc() {
        Node p = tail;
        while (p.down != null) {
            p = p.down;
        }
        while (p.prev.score != null) {
            System.out.println(p.prev.score + "-->" + p.prev.value);
            p = p.prev;
        }
    }
    /**
     * 删除Skip List中的节点元素
     * @param score
     */
    public void delete(Double score) {
        Node p = search(score);
        while (p != null) {
            p.prev.next = p.next;
            p.next.prev = p.prev;
            p = p.up;
        }
    }
}


image.png


image.png


image.png


image.png

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