Redis概述

Redis-數(shù)據(jù)結構-跳表詳解

跳表（Skip List）是一種基于并聯(lián)的鏈表結構，用于在有序元素序列中快速查找元素的數(shù)據(jù)結構。

Redis 中廣泛使用跳表來實現(xiàn)有序集合（Sorted Set）這一數(shù)據(jù)結構。

1.跳表的基本概念和特點

跳表的核心思想是通過在不同層級（level）上增加指針來加速查找。

每一層都是一個元素鏈表，其中第 0 層是一個完整的有序鏈表.

而每一層都以一定的概率選擇部分元素添加額外的前向指針，這些額外的指針使得跳表可以快速跳過一些元素，從而加快查找速度。

結構特點：

多層索引：跳表由多層組成，每一層都是一個有序鏈表。最底層包含所有元素，每一層的元素數(shù)量逐層減少。

快速查找：通過在每一層中跳過部分元素，平均時間復雜度為 O(log n)，使得查找效率接近于二分查找。

動態(tài)性：跳表支持動態(tài)操作（插入、刪除、查找），并且在維護平衡性和有序性時的性能表現(xiàn)良好。

2.Redis 中的跳表應用

在 Redis 中，跳表主要用于實現(xiàn)有序集合（Sorted Set）這一數(shù)據(jù)結構。

有序集合是指每個元素都關聯(lián)一個分數(shù)（score），并且集合中的元素按照分數(shù)進行排序

。Redis 中的有序集合支持以下幾個關鍵操作，都是基于跳表實現(xiàn)的：

元素的插入和刪除：跳表的動態(tài)特性使得在有序集合中插入和刪除元素的操作效率較高。

按照分數(shù)范圍獲取元素：通過跳表的多層索引，可以快速定位并獲取指定分數(shù)范圍內(nèi)的元素。

元素的排名和反向排名：跳表支持在有序集合中快速獲取元素的排名（按照分數(shù)從小到大的順序）和反向排名（按照分數(shù)從大到小的順序）。

交集、并集和差集運算：Redis 中的有序集合可以進行交集、并集和差集的運算，這些運算需要高效地合并多個有序集合，跳表的查找特性使得這些運算能夠在較高的性能下完成。

3.為什么Redis用跳表不用二叉樹或者紅黑樹呢？

1.簡單性和實現(xiàn)復雜度：

跳表的實現(xiàn)相比二叉樹或紅黑樹更為簡單直觀。跳表不需要復雜的平衡操作（如旋轉(zhuǎn)），并且更容易實現(xiàn)和調(diào)試。跳表在工程實現(xiàn)上更為可靠和高效。

2.平均時間復雜度：

跳表在平均情況下的時間復雜度為O(log n)，與紅黑樹相當，而二叉搜索樹的最壞情況下可能會退化為O(n)。雖然紅黑樹在理論上也可以實現(xiàn)O(log n)的時間復雜度，但是其實現(xiàn)和調(diào)整過程相對復雜，不如跳表直觀和容易理解。

3.空間復雜度：

跳表在內(nèi)存中占用的額外空間用于維護多級索引，相對而言比紅黑樹略多，但是這些空間相對于整個數(shù)據(jù)集來說通常是可以接受的。而紅黑樹由于額外的節(jié)點顏色標記和平衡維護可能會占用更多的空間。

4.并發(fā)性能：

在并發(fā)環(huán)境下，跳表的簡單結構使得并發(fā)操作更為容易實現(xiàn)。Redis 需要考慮到多線程環(huán)境下的并發(fā)安全性，跳表的實現(xiàn)相對于復雜的平衡樹結構更容易處理并發(fā)操作。

5.實際應用需求：

Redis的有序集合通常不需要嚴格的平衡樹性質(zhì)，而更注重快速的插入、刪除和區(qū)間查找操作。跳表在這些操作上的性能表現(xiàn)優(yōu)良，與平衡樹相比具有更高的實用性。

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