数据结构与算法—跳表（skiplist）

前言

跳表

查询时间分析

前言

二分查找用的数组

链表可不可以实现二分查找呢？

跳表

各方面性能比较优秀的动态数据结构，可以支持快速插入、删除、查找操作。写起来也不复杂，甚至可以代替红黑树。

跳表特点

对链表建立一级索引，每两个节点提取一个节点到上一级，叫做索引节点。

加一层索引之后，查找一个结点需要遍历的节点个数减少了，也就是查找效率提高了。

这种查找方式就是跳表

查询时间分析

1、时间复杂度 o(logn)

在单链表中查询某个数据的时间复杂度O(N)
跳表，n个节点，会有几层索引。

第k级索引的节点个数是k-1级索引节点个数的1/2；即第k级索引节点的个数 n/2^k
k = log2n-1,如果包含原始链表层，整个跳表的高度是log2 n
在跳表查找某个数据时，如果每一层需要遍历m个节点，那么跳表查询一个数据的时间复杂度O(m*logn)
m是多少？每一级索引最多只需要遍历3个节点， m = 3 常数

2、空间复杂度O(n)

索引节点的个数 n/2+n/4+n/8…+8+4+2=n-2 ,所以跳表的空间复杂度O(n)

意思是n个节点的单链表改成跳表，需要额外再用接近n个节点的内存空间。

在软件开发中原始链表中存储的有可能是很大的对象，而索引节点只需要存储关键值和几个指针，并不需要存储对象。所以当对象所以节点很大时，索引占用的空间可以忽略不计了。

动态插入和删除

插入、删除操作时间复杂度O(logn)

查找，需要遍历每个节点。查找时间复杂度O(logn)

删除，要拿到前驱节点，如果是双向链表，不需要考虑这个问题。

跳表动态更新

插入数据，如果跳表不更新，跳表会退化成单链表。
跳表通过随机函数维护 “平衡性”
往跳表中插入数据时，同时将数据插入到索引层中。（哪个索引层？）

通过随机函数，决定这个点插入到哪几级索引，如随机函数生成K，则节点添加到第一级到第K级索引中。

跳表与红黑树比较

1，按照区间查找数据，红黑树的效率没有跳表高。跳表O(logn)

2、跳表灵活，通过改变索引结构，有效平衡执行效率和内存消耗

3、红黑树一般有现成的可用，跳表需要自己实现

跳表实现

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
#include<string.h>

typedef struct _node
{
	int key;
	int value;
	int max_level;
	struct _node *next[0];
}node;

typedef struct _skiplist
{
	int level;
	int count;
	node *head;
}skiplist;

#define offsetof(TYPE,MEMBER) ((size_t) & ((TYPE *)0)->MEMBER)
#define container(ptr,type,member) ({\
  const typeof( ((type *)0)->member) *__mptr = (ptr);\
  (type *) ( (char *)__mptr - offsetof(type,member));})


node * skip_list_create_node(int level,int key,int value)
{
	node *tmp = NULL;
	tmp = (node *)malloc(sizeof(node) + level*sizeof(node*));
	assert(tmp !=NULL);

	memset(tmp,0,sizeof(node) + level * sizeof(node*));

	tmp->key = key;
	tmp->value = value;
	tmp->max_level = level;

	return tmp;
}
skiplist *skip_list_create(int max_level)
{
	int i=0;
	skiplist *list = NULL;
	list = (skiplist *)malloc(sizeof(skiplist));
	assert(list != NULL);

	list->level = 1;
	list->count = 0;

	list->head = skip_list_create_node(max_level,0,0);
	if(list->head == NULL)
	{
		free(list);
		return NULL;
	}

	return list;
}
void skip_list_destory(skiplist *list)
{
	int i = 0;
	node *tmp = NULL;

	if((list == NULL) || list->head == NULL)
	{
		return ;
	}

	while(list->head->next[0] != NULL)
	{
		tmp = list->head->next[0];
		list->head->next[0] = tmp->next[0];
		free(tmp);
	}

	free(list->head);
	free(list);
	return;
}

int skip_list_level(skiplist *list)
{
	int i = 0;
	int level = 1;
	for(i = 0;i<list->head->max_level;i++)
	{
		if(rand()%2 == 1)
			level++;
	}
	return level;
}


int skip_list_insert(skiplist *list,int key,int value)
{
	int i = 0;
	int level = 0;

	node **update = NULL;
	node *tmp = NULL;
	node *prev = NULL;

	if(list == NULL)
		return 1;

	update = (node **)malloc(sizeof(node *)*list->head->max_level);
	if(update == NULL)
		return 2;

	prev = list->head;
	for(i = (list->level - 1);i>=0;i--)
	{
		while(((tmp = prev->next[i]) != NULL) && (tmp->key < key))
		{
			prev = tmp;
		}
		update[i] = prev;
	}
	if((tmp != NULL) && (tmp->key == key))
		return 3;
	//get ramdon level
	level = skip_list_level(list);
	tmp = skip_list_create_node(level,key,value);
	if(tmp == NULL)
		return 4;

	//update max level,update
	if(level > list->level)
	{
		for(i = list->level;i<level;i++)
		{
			update[i] = list->head;
		}
		list->level = level;
	}
	//update node pointer
	for(i = 0;i<level;i++)
	{

		tmp->next[i] = update[i]->next[i];
		update[i]->next[i] = tmp;
	}
	list->count++;

	return 0;
}

int skip_list_search(skiplist *list,int key,int *value)
{
	int i=0;
	node *prev = NULL;
	node *tmp = NULL;

	if((list == NULL) || (list->count == 0) || (value == NULL))
	{
		return 1;
	}
	prev = list->head;

	for(i = list->level - 1;i >= 0;i--)
	{
		//while(((tmp == prev->next[i])!=NULL) && (tmp->key<=key))
		while(((tmp = prev->next[i]) != NULL) && (tmp->key <= key))
		{
			if(tmp->key == key)
			{
				*value = tmp->value;
				return 0;
			}
			prev = tmp;
		}
	}
	return -1;
}

void skip_list_dump(skiplist *list)
{
	int i = 0;
	node *ptmp = NULL;
	printf("\r\n skiplist level[%d],count[%d]",list->level,list->count);
	for(i = list->level -1 ;i>=0;i--)
	{
		ptmp = list->head->next[i];
		printf("\r\n level[%d]:",i);
		while(ptmp != NULL)
		{
			printf("%d-%d ",ptmp->key,ptmp->value);
			ptmp = ptmp->next[i];
		}

	}
	printf("\r\n-----------------------------------\n");
	return;
}

int skip_list_delete(skiplist *list,int key,int *value)
{
	int i = 0;
	node **update = NULL;
	node *tmp = NULL;
	node *prev = NULL;

	if((list == NULL) && value == NULL || list->count ==0)
		return 1;

	update = (node **)malloc(sizeof(node *)*list->level);
	if(update == NULL)
		return 2;

	prev = list->head;

	for(i = (list->level - 1);i>=0;i++)
	{
		while((tmp = prev->next[i]) != NULL && (tmp->key < key))
		{
			prev=tmp;
		}
		update[i] = prev;
	}

	if((tmp != NULL) && (tmp->key == key))
	{
		*value = tmp->value;

		for(i = 0;i<list->level;i++)
		{
			if(update[i]->next[i] == tmp)
			{
				update[i]->next[i] = tmp->next[i];
			}
		}
		free(tmp);
		tmp = NULL;

		for(i = list->level -1 ;i>=0 ;i++)
		{
			if(list->head->next[i]==NULL)
				list->level--;
			else
				break;
		}

		list->count--;
	}
	else
		return 3;//not find

	return 0;
}

int main()
{
	int res = 0;
	int key = 0;
	int value = 0;

	skiplist *list = NULL;
	list = skip_list_create(8);
	assert(list != NULL);

	int i=0;
	for(i = 0;i<30;i++)
	{
		key = value = i;

		res = skip_list_insert(list,key,value);
		if(res !=0)
		{
			printf("insert error res=%d\n",res);
		}
	}
	printf("insert down\n");
	skip_list_dump(list);


	printf("############search#######\n");
	key = 10;
	skip_list_search(list,key,&value);

	printf("search value=%d\n",value);

	printf("############del############\n");
	skip_list_delete(list,key,&value);
	printf("del value=%d\n",value);	

	skip_list_dump(list);
}

# ./a.out 
insert down

 skiplist level[8],count[30]
 level[7]:15-15 
 level[6]:15-15 16-16 23-23 
 level[5]:0-0 1-1 5-5 8-8 14-14 15-15 16-16 19-19 22-22 23-23 24-24 
 level[4]:0-0 1-1 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 22-22 23-23 24-24 27-27 29-29 
 level[3]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
 level[2]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10 11-11 12-12 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
 level[1]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10 11-11 12-12 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
 level[0]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 10-10 11-11 12-12 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
-----------------------------------
############search############
search value=10
############del############
del value=10

 skiplist level[8],count[29]
 level[7]:15-15 
 level[6]:15-15 16-16 23-23 
 level[5]:0-0 1-1 5-5 8-8 14-14 15-15 16-16 19-19 22-22 23-23 24-24 
 level[4]:0-0 1-1 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 22-22 23-23 24-24 27-27 29-29 
 level[3]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
 level[2]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 11-11 12-12 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
 level[1]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 11-11 12-12 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
 level[0]:0-0 1-1 2-2 3-3 4-4 5-5 6-6 7-7 8-8 9-9 11-11 12-12 13-13 14-14 15-15 16-16 17-17 18-18 19-19 20-20 21-21 22-22 23-23 24-24 25-25 26-26 27-27 28-28 29-29 
-----------------------------------