Redis学习笔记2（跳跃表）

Redis学习笔记2（跳跃表） 跳跃表

跳跃表是一种有序数据结构，它通过在每个节点中维持多个指向其它节点的指针，从而达到快速访问节点的目的

跳跃表支持平均 l o g N logN logN、最坏O(n)复杂度的节点查找，还可以通过顺序性 *** 作来批量处理节点。

在大部分情况下，跳跃表的效率可以和平衡树媲美，并且因为跳跃表的实现比平衡树简单，很多程序用跳跃表代替平衡树

Redis使用跳跃表作为有序集合键的底层实现之一，如果一个有序集合包含的元素数量比较多，又或者有序集合中元素的成员是比较长的字符串时，Redis就会使用跳跃表来作为有序集合键的底层实现

fruit-price有序集合的所有数据都保存在一个跳跃表里面，每个跳跃表节点都保存了一款水果价钱信息，所有水果按价钱的高低从低到高在跳跃表里面排序：

• 跳跃表的第一个元素的成员为"banana"，它的分值为5;
• 跳跃表的第二个元素的成员为"cherry"，它的分值为6.5;
• 跳跃表的第三个元素的成员为"apple"，它的分值为8;

Redis跳跃表用在了两个地方：

1. 实现有序集合键
2. 集群节点中用作内部数据结构

跳跃表的实现

• header：指向跳跃表的表头节点
• tail：指向跳跃表的表尾节点
• level：记录目前跳跃表内，层数最大的那个节点的层数
• length：记录跳跃表的长度，即跳跃表目前包含节点的数量

层( level )：

• 节点中用L1、L2、L3等字样标记节点的各个层，L1代表第一层，L2代表第二层，以此类推。每个层都带有两个属性:前进指针和跨度。前进指针用于访问位于表尾方向的其他节点，而跨度则记录了前进指针所指向节点和当前节点的距离。在上面的图片中，连线上带有数字的箭头就代表前进指针，而那个数字就是跨度。当程序从表头向表尾进行遍历时，访问会沿着层的前进指针进行。

后退( backward）指针：

• 节点中用BW字样标记节点的后退指针，它指向位于当前节点的前一个节点。后退指针在程序从表尾向表头遍历时使用。

分值（ score)：

• 各个节点中的1.0、2.0和3.0是节点所保存的分值。在跳跃表中节点按各自所保存的分值从小到大排列。

成员对象( obj)：

• 各个节点中的o1、o2和o3是节点所保存的成员对象。

跳跃表节点

1. 层

   • level数组可以包含多个元素，每个元素包含一个指向其他节点的指针，程序通过这些层来加快访问其它节点的速度，一般来说，层的数量越多，访问其他节点的速度就越快
   • 每次创建一个新的跳跃表节点的时候，程序根据幂次定律（越大的数出现的概率越小）随机生成一个介于1和32之间的值作为level数组的大小，这个大小就是层的“高度”。

2. 前进指针

   • 每个层都有一个指向表尾方向的前进指针，用于从表头向表尾方向访问节点。图5-3用虚线表示出了程序从表头向表尾方向，遍历跳跃表中所有节点的路径
   1. 首先访问跳跃表的第一个节点，然后从第四层的前进指针移动到表中的第二个节点
   2. 在第二个节点时，沿着第二层的前进指针移动到第三个节点
   3. 在第三个节点，沿第二层的前进指针移动到表中第四个节点
   4. 当程序再次沿着第四个节点的前进指针移动时，碰到了第一个NULL，表示到达跳跃表的表尾，结束遍历

3. 跨度

   层的跨度用于记录两个节点之间的距离：

   • 两个节点之间的跨度越大，它们相距的就越远
   • 指向NULL的所有前进指针的跨度都为0，因为它们没有连向任何节点

   遍历 *** 作其实和跨度没有关系，遍历 *** 作使用前进指针就可以完成，跨度实际上是用来计算排位的：在查找某个节点的过程中，将沿途访问过的所有层的跨度累积起来，得到的结果就是目标节点在跳跃表中的排位

4. 后退指针

   节点的后退指针用于从表尾向表头方向访问节点：跟可以一次跳过多个节点的前进指针不同，因为每个节点只有一个后退指针，所以每次只能后退至前一个节点

5. 分值和成员

   节点的分值是一个double类型的浮点数，跳跃表中所有的节点按照分值从小到大排序

   节点的成员对象是一个指针，它指向一个字符串对象，而字符串对象则保存着一个SDS值

   在同一个跳跃表中，各个节点保存的成员对象必须是唯一的，但是多个节点保存的分值却可以是相同的：分值相同的节点将按照成员对象在字典序中的大小来进行排序，成员对象较小的节点会排在前面，而成员对象较大的节点则会排到后面

跳跃表

仅靠多个跳跃表节点就可以组成一个跳跃表

但通过使用一个zskiplist结构来持有这些节点，程序可以更方便地对整个跳跃表进行处理，比如快速访问跳跃表的表头表尾节点，或者快速地获取跳跃表节点的数量

整数集合

整数集合是集合键的底层实现之一，当一个集合只包含整数值元素，且元素数量不多时，Redis就会使用整数集合作为集合键的底层实现

整数集合的实现

整数集合是Redis用于保存整数值的集合抽象数据结构，它可以保存类型为int16_t,int32_t或者int64_t的整数值，并且保证集合中不会出现重复元素

contents数组是整数集合的底层实现：整数集合的每个元素都是contents数组的一个数据项（item），各个项在数组中按值得大小从小到大有序地排列，并且数组中不包含任何重复项。

length属性记录了整数集合的元素数量，contents长度

升级

当添加一个新元素，且新元素的类型比集合里的所有元素类型都长时，整数集合需要先进行升级，然后才能添加进去

步骤：

1. 根据新元素类型，扩展整数集合底层数组的空间大小，并为新元素分配空间
2. 将底层数组现有的所有元素转换成与新元素相同的类型，并将类型转换后的元素放置到正确的位置上，而且防止元素的过程中，需要继续维持底层数组的有序性质不变
3. 将新元素添加到底层数组里面

因为每次向整数集合添加新元素都可能引起升级，而每次升级要对底层数组中所有元素进行类型转换，所以向整数集合添加新元素的时间复杂度O(n)

升级的好处

整数集合的升级策略有两个好处：

1. 提升整数集合的灵活性
2. 尽可能节约内存

提升灵活性

因为C语言是静态类型语言，为了避免错误，我们通常不会将两种不同类型的值放在同一个数据结构里面

节约内存

要让一个数组同时保存int16_t，int32_t，int64_t三种类型的值，最简单的做法是直接使用int64_t类型的数组作为整数集合的底层实现，但是这样添加了int16_t或者int32_t类型的值，数组都需要使用int64_t类型的空间去保存它们，从而出现浪费内存的情况

而整数集合现在的做法既可以让集合能同时保存三种不同类型的值，又可以确保升级 *** 作只会在有需要的时候进行,这可以尽量节省内存。

例如，如果我们一直只向整数集合添加int16_t类型的值，那么整数集合的底层实现就会一直是int16_t类型的数组，只有在我们要将int32_t类型或者int64_t类型的值添加到集合时，程序才会对数组进行升级。

降级

整数集合不支持降级 *** 作，一旦对数组进行了升级，编码就会一直保持升级后的状态