Redis面试系列：跳跃表skiplist实现原理是什么？源码解析（三）

前言

之前总是从网上去找跳跃表的实现原理，发现都很难理解，下面我会通过源码和画图分析让你一目了然。

一、skiplist

前面的文章说到了，zset的实现就有skiplist，我们来看一下zset的结构体：

typedef struct zset {
    dict *dict; //字典存放value,以value为key
    zskiplist *zsl;
} zset;

你是否有疑惑，里面的dict 的作用是什么？
字典里面保存了有序集合中member与score的键值对
跳跃表则用于实现按score排序的功能

zskiplist结构则用于保存跳跃表节点的相关信息,比如节点的数量,以及指向表头节点和表尾节点的指针等等；
zskiplistNode结构用于表示跳跃表的节点：

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;

创建一个节点：

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

    zsl = zmalloc(sizeof(*zsl));
    zsl->level = 1;
    zsl->length = 0;
    zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL,0,NULL);
    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;
}

首先会初始化64个zskiplistLevel ，forward 为NULL，span为0。
zadd操作后会调用zslInsert函数，在这里面就会去计算该节点的zskiplistLevel为几层，
随机造层源码：

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 64 /* Should be enough for 2^64 elements 最大层数*/
#define ZSKIPLIST_P 0.25      /* Skiplist P = 1/4 造层的概率*/ 

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

最终就会形成如图：
在这里插入图片描述

层(level): L1~L64，每个层都带有两个属性:前进指针和跨度。
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。
分值(score)：是一个double类型的浮点数，在跳跃表中所有节点按各自所保存的分值从小到大排列。
成员对象(obj)：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：分值相同的节点按照成员对象在字典序中的大小来排序。

插入数据过程：
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, sds ele) {
    zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x; //存储搜索路径
    unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];         //存储经过的节点跨度
    int i, level;

    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
        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;
        }
        update[i] = x;
    }
    /* 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(); //获取层数
    //填充跨度
    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;
        }
        //更新跳跃列表的层高
        zsl->level = level;
    }
    //创建新节点
    x = zslCreateNode(level,score,ele);
    //重拍一下前向指针
    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++;
    }
	//重排一后向指针
    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;
}

看完这个过程，是不是对跳跃表有个清晰的理解了。

总结

跳跃表是有序集合的底层实现之一。
Redis的跳跃表实现由zskiplist和zskiplistnode两个结构体组成，zskiplist用来保存跳跃表信息，而zskiplistnode则表示跳跃表节点。
每个跳跃表节点的层高都是1至64之前的随机数，生成每一层的概率都是1/4。
在同一个跳跃表中，多个节点可以包含相同分值，但是每个节点的成员对象必须是唯一的。

Redis面试系列：跳跃表skiplist实现原理是什么？源码解析（三）

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一、skiplist

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