在深入探讨Redis中跳表（Skip List）的实现之前，我们需要理解跳表是一种可以替代平衡树的数据结构，它通过在多个层级上维护有序链表来加速查找、插入和删除操作。Redis选择跳表作为有序集合（Sorted Set）的底层实现之一，主要是因为其实现简单且效率高，特别是在并发环境下，跳表避免了平衡树在节点分裂和合并时可能产生的复杂锁机制。 ### 跳表的基本组成 跳表由多层有序链表组成，每一层链表都是前一层链表的一个子集，通过“前进指针”和“层间指针”连接。最底层的链表包含所有元素，每往上一层，链表的节点数就逐步减少。层间指针允许跳表在查找时跳过多个节点，从而提高效率。 - **节点（Node）**：每个节点包含多个指针，包括一个或多个层间指针（指向同一层中下一个节点）和一个前进指针（指向下一层中的相同位置的节点，或如果该层是最后一层则指向`NULL`）。此外，节点还包含数据和层数信息。 - **层数（Level）**：跳表的层数是动态确定的，通常基于随机过程来决定新插入节点的层数，以确保跳表在平均情况下的性能。 ### Redis中跳表的实现细节 Redis的跳表实现遵循了上述基本原理，并做了一些优化以适应其特定需求。Redis的跳表结构定义在`redis/src/zset.h`中的`zskiplistNode`和`zskiplist`结构体中。 ```c // 节点定义 typedef struct zskiplistNode { // 成员对象 robj *obj; // 分值 double score; // 后退指针 struct zskiplistNode *backward; // 层 struct zskiplistLevel { // 前进指针 struct zskiplistNode *forward; // 跨度 unsigned int span; } level[]; } zskiplistNode; // 跳表定义 typedef struct zskiplist { // 表头节点和表尾节点 struct zskiplistNode *header, *tail; // 节点数量 unsigned long length; // 最大层数 int level; } zskiplist; ``` ### 插入操作 在Redis的跳表中插入一个新元素时，首先会随机决定新节点的层数（通常是一个小概率的递增过程），然后逐层更新链表，确保新节点正确插入并保持有序。 ### 查找操作 查找操作从最高层开始，通过比较节点中的`score`值来定位，如果当前节点的`score`大于目标`score`，则向前移动到该层的下一个节点；如果小于，则通过层间指针下降到下一层继续查找，直到找到目标节点或到达最底层链表。 ### 删除操作 删除操作与查找操作类似，首先定位到要删除的节点，然后逐层将该节点从前向链表中移除，并更新层间指针和跨度信息。 ### 优化与特点 - **动态层数**：Redis跳表的层数是动态决定的，这有助于在保持效率的同时节省内存。 - **内存占用**：虽然跳表在多层上存储了额外指针，但相对于红黑树等平衡树，其实现更简单，且在特定场景下（如Redis的Sorted Set）表现出色。 - **灵活性**：跳表允许快速范围查询，这在有序集合的场景下非常有用。 ### 示例代码（概念性） 由于篇幅限制，这里不直接给出完整的Redis跳表实现代码，但可以提供一个简化的插入操作伪代码概念： ```c // 伪代码：插入新节点 void zslInsert(zskiplist *zsl, double score, robj *obj) { int level = zslRandomLevel(); // 随机决定层数 zskiplistNode *newNode = createNode(level, score, obj); // 查找插入位置 zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *curr = zsl->header; for (int i = zsl->level - 1; i >= 0; i--) { while (curr->level[i].forward && (curr->level[i].forward->score < score || (curr->level[i].forward->score == score && compareStringObjects(curr->level[i].forward->obj, obj) < 0))) { curr = curr->level[i].forward; } update[i] = curr; } // 逐层插入新节点 for (int i = 0; i < level; i++) { newNode->level[i].forward = update[i]->level[i].forward; update[i]->level[i].forward = newNode; newNode->level[i].span = update[i]->level[i].span + (update[i]->level[i].forward ? update[i]->level[i].forward->level[i].span : 0); } // 其他更新操作，如后退指针设置、更新表尾等 // ... // 更新跳表的长度和层数（如果需要） zsl->length++; if (level > zsl->level) { zsl->level = level; } } ``` 这段代码展示了跳表插入操作的基本框架，包括随机层数确定、查找插入位置和逐层插入新节点等关键步骤。注意，实际Redis代码会更加复杂，包括内存管理、错误处理和并发控制等。