Redis資料結構—跳躍表 skiplist 實現原始碼分析

威哥爱编程發表於2024-07-12
Redis資料結構原始碼

Redis 是一個開源的記憶體資料結構儲存系統，它可以用作資料庫、快取和訊息中介軟體。Redis 的資料結構非常豐富，其中跳躍表（skiplist）是一種重要的資料結構，它被用來實現有序集合（sorted sets）。

跳躍表是一種機率型資料結構，它透過多層連結串列來實現快速的查詢操作。跳躍表的結構類似於多層索引，每一層都是一個有序連結串列，但每一層的連結串列節點數量逐漸減少，最頂層的連結串列節點最少，最底層的連結串列節點最多。這樣設計的好處是，可以在對數時間內完成查詢操作，同時插入和刪除操作也非常高效。

跳躍表的主要特點包括：

  • 有序性：跳躍表中的元素是有序的，可以快速地進行範圍查詢。
  • 機率性：跳躍表的高度是隨機決定的，這使得它在平均情況下具有對數時間複雜度。
  • 動態性：跳躍表可以在執行時動態地新增和刪除元素，而不需要重新構建整個結構。
  • 空間效率：相比於平衡樹，跳躍表的空間效率更高，因為它不需要儲存指向父節點的指標。

在 Redis 中，跳躍表被用於實現有序集合，它允許使用者新增、刪除、更新和查詢元素，並且可以按照分數對元素進行排序。跳躍表的實現細節在 Redis 原始碼中可以找到，它是 Redis 高效性的關鍵因素之一。

以下是根據 Redis 原始碼對其實現原理的詳細分析：

資料結構定義：
Redis 中的跳躍表由 zskiplistNode 和 zskiplist 兩個結構體定義。zskiplistNode 表示跳躍表的節點，包含成員物件 obj、分值 score、後退指標 backward 以及層 level 資訊；zskiplist 表示跳躍表本身，包含頭尾節點指標、長度和層高資訊。

節點層級：
跳躍表的每個節點可以有多個層，稱為索引層，每個索引層包含一個前向指標 forward 和跨度 span。層高是隨機生成的，遵循冪次定律，最大層高為 32。

建立跳躍表：
使用 zslCreate 函式建立一個新的跳躍表，初始化層高為 1，長度為 0，並建立頭節點，頭節點的層高為 32，其餘節點的層高根據需要動態生成。

插入節點：
插入操作首先確定新節點的層高，然後從高層向低層搜尋插入位置，並更新 update 陣列，該陣列記錄所有需要調整的前置節點。接著，建立新節點，並根據 update 陣列和 rank 陣列更新跨度和前向指標。

查詢操作：
查詢操作從高層開始，沿著連結串列前進；遇到大於目標值的節點時下降到下一層，繼續查詢。經過的所有節點的跨度之和即為目標節點的排位（rank）。

刪除節點：
刪除操作根據分值和物件找到待刪除節點，並更新相關節點的前向指標和跨度。如果節點在多層中存在，需要逐層刪除。

效能分析：
跳躍表支援平均 O(logN)、最壞 O(N) 複雜度的節點查詢，且實現比平衡樹簡單。在有序集合中，跳躍表可以處理元素數量較多或元素成員較長的情況。

Redis 應用場景：
Redis 使用跳躍表實現有序集合鍵，特別是當集合中的元素數量較多或元素的成員是較長的字串時。跳躍表也用於 Redis 叢集節點中的內部資料結構。

跳躍表的優點：
跳躍表的優點包括支援快速的查詢操作，以及在實現上相對簡單。它透過維護多個層級的連結串列來提高查詢效率，且可以順序性地批次處理節點。

跳躍表的實現細節：
跳躍表的實現細節包括節點的建立、插入、刪除、搜尋等操作，以及維護跳躍表的最大層高和節點數量等資訊。具體實現可以參考 Redis 原始碼中的 t_zset.c 檔案。

Redis 的跳躍表實現是對其有序集合效能和功能的重要支撐，透過上述分析，我們可以更深入地理解這一資料結構的內部機制。

結合 Redis 原始碼中的跳躍表實現，我們可以深入理解其工作原理。以下是根據 Redis 原始碼中的跳躍表實現程式碼進行的分析：

跳躍表節點定義 (zskiplistNode)

typedef struct zskiplistNode {
    robj *obj; // 指向成員物件的指標
    double score; // 分數值
    struct zskiplistNode *backward; // 後退指標，用於從後往前遍歷
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward; // 前進指標
        unsigned int span; // 跨度，表示該層跨越的元素數量
    } level[]; // 索引層，包含多個索引
} zskiplistNode;

跳躍表定義 (zskiplist)

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail; // 頭尾節點指標
    unsigned long length; // 跳躍表的長度，即元素數量
    int level; // 跳躍表的最大層數
} zskiplist;

跳躍表的建立 (zslCreate)

zskiplist *zslCreate(void) {
    int j;
    zskiplist *zsl = zmalloc(sizeof(*zsl));
    zsl->level = 1;
    zsl->length = 0;
    zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL, 0, NULL);
    // 初始化頭節點的各個層的跨度和前向指標
    for (j = 0; j < ZSKIPLIST_MAXLEVEL; j++) {
        zsl->header->level[j].forward = NULL;
        zsl->header->level[j].span = 0;
    }
    zsl->header->backward = NULL;
    zsl->tail = NULL;
    return zsl;
}

跳躍表的插入 (zslInsert)


zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, robj *obj) {
    // ...
    // 1. 初始化更新陣列和 rank 陣列
    // 2. 從高層向底層搜尋，找到每個層級的插入位置
    // 3. 確定新節點的層數
    // 4. 建立新節點，並更新前向指標和跨度
    // 5. 更新跳躍表的最大層數和長度
    // ...
}

跳躍表的搜尋 (zslGetRank)


unsigned long zslGetRank(zskiplist *zsl, double score, robj *o, int reverse) {
    // ...
    // 1. 從高層向底層搜尋目標元素
    // 2. 累加跨度以計算元素的排名
    // ...
}

跳躍表的刪除 (zslDelete)


zskiplistNode *zslDelete(zskiplist *zsl, double score, robj *obj) {
    // ...
    // 1. 搜尋目標元素並記錄需要更新的節點
    // 2. 逐層刪除節點
    // 3. 更新跨度和前向指標
    // 4. 如果刪除了頭節點，更新頭節點
    // ...
}

跳躍表的高度隨機化

Redis 中節點的層高是隨機決定的，通常使用固定機率（如 1/2）來確定。但在 Redis 實現中，節點的層高是根據冪次定律隨機生成的，介於 1 和 32 之間。

總結

Redis 的跳躍表實現涉及多個關鍵操作：建立、插入、搜尋和刪除。每個操作都需要對節點的層級和跨度進行精確管理，以保證跳躍表的有序性和高效的查詢效能。跳躍表的高度隨機化和層級結構的設計使得 Redis 能夠在對數時間內完成查詢操作，同時保持了較高的空間效率和動態性。透過原始碼分析，我們可以更深入地理解 Redis 中跳躍表的內部機制和實現細節。

相關文章