02-Redis 数据结构之 跳跃表

一、跳跃表简介

跳跃表（skiplist）是一种随机化的数据结构，由 William Pugh 在论文《Skip lists: a probabilistic alternative to balanced trees》中提出，是一种可以于平衡树媲美的层次化链表结构——查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成，以下是一个典型的跳跃表例子：

Reids 有一个叫 有序列表 zset 的数据结构，它类似于 Java 中的 SortedSet 和 HashMap 的结合体，一方面它是一个 set 保证了内部 value 的唯一性，另一方面又可以给每个 value 赋予一个排序的权重值 score，来达到排序的目的，它的内部实现就依赖了跳跃列表。

为什么使用跳跃表

首先，因为 zset 要支持随机的插入和删除，所以它 不宜使用数组来实现，关于排序问题，我们也很容易就想到 红黑树/平衡树 这样的树形结构，为什么 Redis 不使用这样一些结构呢？

  1. 性能考虑： 在高并发的情况下，树形结构需要执行一些类似于 rebalance 这样的可能涉及整棵树的操作，相对来说跳跃表的变化只涉及局部；
  2. 实现考虑： 在复杂度与红黑树相同的情况下，跳跃表实现起来更简单，看起来也更加直观；

基于以上的一些考虑，Redis 基于 William Pugh 的论文做出一些改进后采用了 跳跃表 这样的结构。

本质是解决查找问题

我们先来看一个普通的链表结构：

我们需要这个链表按照 score 值进行排序，这也就意味着，当我们需要添加新的元素时，我们需要定位到插入点，这样才可以保证链表是有序的，通常我们会使用二分查找法，但二分查找是有序数组的，链表没办法进行位置定位，我们除了遍历找到第一个比给定数据大的节点之外（时间复杂度 O(n))似乎没有更好的办法。

但假如我们每相邻两个节点之间就增加一个指针，让指针指向下一个节点，如下图：

这样所有新增的指针连成了一个新的链表，但它包含的数据却只有原来的一半（图中的为 3，11）。

现在假设我们想要查找数据时，可以根据这条新的链表查找，如果碰到比待查找数据大的节点时，再回到原来的链表中进行查找，比如，我们想要查找 7，查找的路径则是沿着下图中标注出的红色指针所指向的方向进行的：

我们仍然可以看到，通过新增加的指针查找，我们不再需要与链表上的每一个节点逐一进行比较，这样改进之后需要比较的节点数大概只有原来的一半。

利用同样的方式，我们可以在新产生的链表上，继续为每两个相邻的节点增加一个指针，从而产生第三层链表：

在这个新的三层链表结构中，如果查找 13，那么沿着最上层链表首先比较的是 11，发现 11 比 13 小，于是我们就知道只需要到 11 后面继续查找，从而一下子跳过了 11 前面的所有节点。

可以想象，当链表足够长，这样的多层链表结构可以帮助我们跳过很多下层节点，从而加快查找的效率。

更进一步的跳跃表

跳跃表 skiplist 就是受到这种多层链表结构的启发而设计出来的。按照上面生成链表的方式，上面每一层链表的节点个数，是下面一层的节点个数的一半，这样查找过程就非常类似于一个二分查找，使得查找的时间复杂度可以降低到 O(logn)。

但是，这种方法在插入数据的时候有很大的问题。新插入一个节点之后，就会打乱上下相邻两层链表上节点个数严格的 2:1 的对应关系。如果要维持这种对应关系，就必须把新插入的节点后面的所有节点（也包括新插入的节点）重新进行调整，这会让时间复杂度重新蜕化成 O(n)。删除数据也有同样的问题。

skiplist 为了避免这一问题，它不要求上下相邻两层链表之间的节点个数有严格的对应关系，而是 **为每个节点随机出一个层数(level)**。比如，一个节点随机出的层数是 3，那么就把它链入到 第 1 层到第 3 层 这三层链表中。为了表达清楚，下图展示了如何通过一步步的插入操作从而形成一个 skiplist 的过程：

从上面的创建和插入的过程中可以看出，每一个节点的层数（level）是随机出来的，而且新插入一个节点并不会影响到其他节点的层数，因此，插入操作只需要修改节点前后的指针，而不需要对多个节点都进行调整，这就降低了插入操作的复杂度。

现在我们假设从我们刚才创建的这个结构中查找 23 这个不存在的数，那么查找路径会如下图：

二、跳跃表的实现(源码分析)

Redis 中的跳跃表由 server.h/zskiplistNode 和 server.h/zskiplist 两个结构定义，前者为跳跃表节点，后者则保存了跳跃节点的相关信息，同之前的 集合 list 结构类似，其实只有 zskiplistNode 就可以实现了，但是引入后者是为了更加方便的操作：

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/* ZSETs use a specialized version of Skiplists */
typedef struct zskiplistNode {
    // value
    sds ele;
    // 分值
    double score;
    // 后退指针
    struct zskiplistNode *backward;
    // 层
    struct zskiplistLevel {
        // 前进指针
        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    // 跳跃表头指针
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    // 表中节点的数量
    unsigned long length;
    // 表中层数最大的节点的层数
    int level;
} zskiplist;

正如文章开头画出来的那张标准的跳跃表那样。

随机层数

对于每一个新插入的节点，都需要调用一个随机算法给它分配一个合理的层数，源码在 t_zset.c/zslRandomLevel(void) 中被定义：

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int zslRandomLevel(void) {
    int level = 1;
    while ((random()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))
        level += 1;
    return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}

直观上期望的目标是 50% 的概率被分配到 Level 1，25% 的概率被分配到 Level 2，12.5% 的概率被分配到 Level 3，以此类推…有 2^-63 的概率被分配到最顶层，因为这里每一层的晋升率都是 50%。

Redis 跳跃表默认允许最大的层数是 32，被源码中 ZSKIPLIST_MAXLEVEL 定义，当 Level[0] 有 2^64 个元素时，才能达到 32 层，所以定义 32 完全够用了。

创建跳跃表

这个过程比较简单，在源码中的 t_zset.c/zslCreate 中被定义：

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zskiplist *zslCreate(void) {
    int j;
    zskiplist *zsl;

    // 申请内存空间
    zsl = zmalloc(sizeof(*zsl));
    // 初始化层数为 1
    zsl->level = 1;
    // 初始化长度为 0
    zsl->length = 0;
    // 创建一个层数为 32，分数为 0，没有 value 值的跳跃表头节点
    zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL,0,NULL);
    
    // 跳跃表头节点初始化
    for (j = 0; j < ZSKIPLIST_MAXLEVEL; j++) {
        // 将跳跃表头节点的所有前进指针 forward 设置为 NULL
        zsl->header->level[j].forward = NULL;
        // 将跳跃表头节点的所有跨度 span 设置为 0
        zsl->header->level[j].span = 0;
    }
    // 跳跃表头节点的后退指针 backward 置为 NULL
    zsl->header->backward = NULL;
    // 表头指向跳跃表尾节点的指针置为 NULL
    zsl->tail = NULL;
    return zsl;
}

即执行完之后创建了如下结构的初始化跳跃表：

插入节点实现

这几乎是最重要的一段代码了，但总体思路也比较清晰简单，如果理解了上面所说的跳跃表的原理，那么很容易理清楚插入节点时发生的几个动作（几乎跟链表类似）：

  1. 找到当前我需要插入的位置（其中包括相同 score 时的处理）；
  2. 创建新节点，调整前后的指针指向，完成插入；

为了方便阅读，我把源码 t_zset.c/zslInsert 定义的插入函数拆成了几个部分

第一部分：声明需要存储的变量

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// 存储搜索路径
zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
// 存储经过的节点跨度
unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];
int i, level;

第二部分：搜索当前节点插入位置

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serverAssert(!isnan(score));
x = zsl->header;
// 逐步降级寻找目标节点，得到 "搜索路径"
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
    /* store rank that is crossed to reach the insert position */
    rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];
    // 如果 score 相等，还需要比较 value 值
    while (x->level[i].forward &&
            (x->level[i].forward->score < score ||
                (x->level[i].forward->score == score &&
                sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0)))
    {
        rank[i] += x->level[i].span;
        x = x->level[i].forward;
    }
    // 记录 "搜索路径"
    update[i] = x;
}

讨论： 有一种极端的情况，就是跳跃表中的所有 score 值都是一样，zset 的查找性能会不会退化为 O(n) 呢？

从上面的源码中我们可以发现 zset 的排序元素不只是看 score 值，也会比较 value 值（字符串比较）

第三部分：生成插入节点

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/* we assume the element is not already inside, since we allow duplicated
 * scores, reinserting the same element should never happen since the
 * caller of zslInsert() should test in the hash table if the element is
 * already inside or not. */
level = zslRandomLevel();
// 如果随机生成的 level 超过了当前最大 level 需要更新跳跃表的信息
if (level > zsl->level) {
    for (i = zsl->level; i < level; i++) {
        rank[i] = 0;
        update[i] = zsl->header;
        update[i]->level[i].span = zsl->length;
    }
    zsl->level = level;
}
// 创建新节点
x = zslCreateNode(level,score,ele);

第四部分：重排前向指针

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for (i = 0; i < level; i++) {
    x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
    update[i]->level[i].forward = x;

    /* update span covered by update[i] as x is inserted here */
    x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
    update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;
}

/* increment span for untouched levels */
for (i = level; i < zsl->level; i++) {
    update[i]->level[i].span++;
}

第五部分：重排后向指针并返回

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x->backward = (update[0] == zsl->header) ? NULL : update[0];
if (x->level[0].forward)
    x->level[0].forward->backward = x;
else
    zsl->tail = x;
zsl->length++;
return x;

节点删除实现

删除过程由源码中的 t_zset.c/zslDeleteNode 定义，和插入过程类似，都需要先把这个 “搜索路径” 找出来，然后对于每个层的相关节点重排一下前向后向指针，同时还要注意更新一下最高层数 maxLevel，直接放源码 _(如果理解了插入这里还是很容易理解的)_：

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/* Internal function used by zslDelete, zslDeleteByScore and zslDeleteByRank */
void zslDeleteNode(zskiplist *zsl, zskiplistNode *x, zskiplistNode **update) {
    int i;
    for (i = 0; i < zsl->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 -= 1;
        }
    }
    if (x->level[0].forward) {
        x->level[0].forward->backward = x->backward;
    } else {
        zsl->tail = x->backward;
    }
    while(zsl->level > 1 && zsl->header->level[zsl->level-1].forward == NULL)
        zsl->level--;
    zsl->length--;
}

/* Delete an element with matching score/element from the skiplist.
 * The function returns 1 if the node was found and deleted, otherwise
 * 0 is returned.
 *
 * If 'node' is NULL the deleted node is freed by zslFreeNode(), otherwise
 * it is not freed (but just unlinked) and *node is set to the node pointer,
 * so that it is possible for the caller to reuse the node (including the
 * referenced SDS string at node->ele). */
int zslDelete(zskiplist *zsl, double score, sds ele, zskiplistNode **node) {
    zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
    int i;

    x = zsl->header;
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
        while (x->level[i].forward &&
                (x->level[i].forward->score < score ||
                    (x->level[i].forward->score == score &&
                     sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0)))
        {
            x = x->level[i].forward;
        }
        update[i] = x;
    }
    /* We may have multiple elements with the same score, what we need
     * is to find the element with both the right score and object. */
    x = x->level[0].forward;
    if (x && score == x->score && sdscmp(x->ele,ele) == 0) {
        zslDeleteNode(zsl, x, update);
        if (!node)
            zslFreeNode(x);
        else
            *node = x;
        return 1;
    }
    return 0; /* not found */
}

节点更新实现

当我们调用 ZADD 方法时，如果对应的 value 不存在，那就是插入过程，如果这个 value 已经存在，只是调整一下 score 的值，那就需要走一个更新流程。

假设这个新的 score 值并不会带来排序上的变化，那么就不需要调整位置，直接修改元素的 score 值就可以了，但是如果排序位置改变了，那就需要调整位置，该如何调整呢？

从源码 t_zset.c/zsetAdd 函数 1350 行左右可以看到，Redis 采用了一个非常简单的策略：

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/* Remove and re-insert when score changed. */
if (score != curscore) {
    zobj->ptr = zzlDelete(zobj->ptr,eptr);
    zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr,ele,score);
    *flags |= ZADD_UPDATED;
}

把这个元素删除再插入这个，需要经过两次路径搜索，从这一点上来看，Redis 的 ZADD 代码似乎还有进一步优化的空间。

元素排名的实现

跳跃表本身是有序的，Redis 在 skiplist 的 forward 指针上进行了优化，给每一个 forward 指针都增加了 span 属性，用来 表示从前一个节点沿着当前层的 forward 指针跳到当前这个节点中间会跳过多少个节点。在上面的源码中我们也可以看到 Redis 在插入、删除操作时都会小心翼翼地更新 span 值的大小。

所以，沿着 “搜索路径”，把所有经过节点的跨度 span 值进行累加就可以算出当前元素的最终 rank 值了：

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/* Find the rank for an element by both score and key.
 * Returns 0 when the element cannot be found, rank otherwise.
 * Note that the rank is 1-based due to the span of zsl->header to the
 * first element. */
unsigned long zslGetRank(zskiplist *zsl, double score, sds ele) {
    zskiplistNode *x;
    unsigned long rank = 0;
    int i;

    x = zsl->header;
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
        while (x->level[i].forward &&
            (x->level[i].forward->score < score ||
                (x->level[i].forward->score == score &&
                sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) <= 0))) {
            // span 累加
            rank += x->level[i].span;
            x = x->level[i].forward;
        }

        /* x might be equal to zsl->header, so test if obj is non-NULL */
        if (x->ele && sdscmp(x->ele,ele) == 0) {
            return rank;
        }
    }
    return 0;
}

参考资料

  1. 《Redis 设计与实现》 - http://redisbook.com/
  2. 【官方文档】Redis 数据类型介绍 - http://www.redis.cn/topics/data-types-intro.html
  3. 《Redis 深度历险》 - https://book.douban.com/subject/30386804/
  4. Redis 源码 - https://github.com/antirez/redis
  5. Redis 快速入门 - 易百教程 - https://www.yiibai.com/redis/redis_quick_guide.html
  6. Redis【入门】就这一篇! - https://www.wmyskxz.com/2018/05/31/redis-ru-men-jiu-zhe-yi-pian/
  7. Redis为什么用跳表而不用平衡树？ - https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA4NTg1MjM0Mg==&mid=2657261425&idx=1&sn=d840079ea35875a8c8e02d9b3e44cf95&scene=21#wechat_redirect
  8. 为啥 redis 使用跳表(skiplist)而不是使用 red-black？ - 知乎@于康 - https://www.zhihu.com/question/20202931
  9. https://blog.csdn.net/qq939419061/article/details/104913312
Redis
#Redis
02-Redis 数据结构之 跳跃表
https://flepeng.github.io/041-Redis-41-核心概念-02-Redis-数据结构之-跳跃表/
作者
Lepeng
发布于
2021年1月1日
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