研究Redis跳表数据结构实现（redis的跳表实现）
Redis跳表（Skip List）是一种基于链表的随机化数据结构，可用于快速地实现有序集合（sorted sets）和有序映射（sorted maps）。跳表最先由William Pugh在1990年提出，Redis将其作为有序集合的底层实现方式之一，并对其做出了一些改进。
跳表的基本思想是在原始的有序链表上增加多级索引，这样可以快速地实现查找操作，同时由于随机化技术的应用，每个节点的索引层数也具有一定的随机性，从而保证了整个数据结构的平衡性和稳定性。跳表的时间复杂度为O(log N)，与平衡二叉树相当，但由于跳表的实现较为简单，可以避免复杂的旋转操作和节点调整，因此实际使用起来更加便利和高效。
Redis跳表的实现结构主要包括：
1. 节点数据结构
Redis的跳表节点共有三个成员：Score（分值，用于排序）、Object（对象指针，指向实际存储的数据对象）、Level（跳表层数，即节点的索引数）。节点的层数在插入操作时会根据随机数重新生成，最多不超过32层。
typedef struct zskiplistNode {
robj *obj;
double score;
struct zskiplistNode *backward;
struct zskiplistLevel {
struct zskiplistNode *forward;
unsigned int span;
} level[];
} zskiplistNode;
2. 跳表数据结构
Redis的跳表结构包括头节点、尾节点和两个指针（指向第一个节点和最后一个节点）。跳表还可以有多个层级，每个层级链表的头节点和尾节点会被记录下来，以支持快速向前或向后遍历。
typedef struct zskiplist {
struct zskiplistNode *header, *tl;
unsigned long length;
int level;
} zskiplist;
3. 插入操作
Redis跳表的插入操作需要分为两部分：首先为新节点生成随机层数，然后从上至下遍历每一层链表，找到应该插入的位置，将新节点插入，并更新该节点到表尾之间的所有跨度值（span），同时更新整个跳表的长度和索引。
int zslInsert(zskiplist *zsl, double score, robj *obj) {
zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];
int i, level;
/* 生成随机层数 */
level = zslRandomLevel();
/* 遍历每一层链表，找到应该插入的位置 */
x = zsl->header;
for (i = level-1; i >= 0; i–) {
rank[i] = i == (level-1) ? 0 : rank[i+1];
while (x->level[i].forward &&
(x->level[i].forward->score
(x->level[i].forward->score == score &&
compareStringObjects(x->level[i].forward->obj,obj)
rank[i] += x->level[i].span;
x = x->level[i].forward;
}
update[i] = x;
}
/* 创建新节点 */
level = level > zsl->level ? zsl->level+1 : level;
x = zslCreateNode(level,score,obj);
/* 更新每一层链表 */
for (i = 0; i
x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
update[i]->level[i].forward = x;
x->level[i].span = update[i]->level[i].span –
(rank[0] – rank[i]);
update[i]->level[i].span = (rank[0] – rank[i]) + 1;
}
for (i = level; i 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->tl = x;
/* 更新跳表信息 */
zsl->length++;
return 1;
}
4. 删除操作
Redis跳表的删除操作比较简单，只需要遍历链表找到待删除节点，然后从上至下删除该节点，并更新整个跳表的长度和索引。
void zslDeleteNode(zskiplist *zsl, zskiplistNode *x, zskiplistNode **update) {
int i;
/* 更新每一层链表 */
for (i = 0; i level; i++) {
if (update[i]->level[i].forward == x) {
update[i]->level[i].span += x->level[i].span – 1;
update[i]->level[i].forward = x->level[i].forward;
} else {
update[i]->level[i].span–;
}
}
/* 更新后继节点的 backward 指针 */
if (x->level[0].forward) {
x->level[0].forward->backward = x->backward;
} else {
zsl->tl = x->backward;
}
/* 更新跳表信息 */
while(zsl->level > 1 && zsl->header->level[zsl->level-1].forward == NULL)
zsl->level–;
zsl->length–;
}
5. 查询操作
Redis跳表的查询操作也比较简单，只需要从上至下遍历每一层链表，找到第一个score值大于或等于给定的score值的节点，即可实现分值范围查询。
zskiplistNode *zslFirstInRange(zskiplist *zsl, double min, double max) {
zskiplistNode *x;
int i;
/* 从最高层开始查找 */
x = zsl->header;
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i–) {
while (x->level[i].forward && x->level[i].forward->score
x = x->level[i].forward;
}
/* 返回第一个 score 值大于等于 min 的节点 */
x = x->level[0].forward;
if (x == NULL || x->score > max)
return NULL;
return x;
}
本文介绍了Redis跳表数据结构的实现原理和代码，希望能对Redis开发和数据结构学习有所帮助。实际使用时，还需要根据具体业务场景不断优化和改进跳表的实现方式，以达到更高效、更可靠的数据存储和查询。
