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Redis中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跳表詳解

更新時(shí)間：2024年06月26日 11:03:41 作者：喻師傅

跳表是一種基于并聯(lián)的鏈表結(jié)構(gòu),用于在有序元素序列中快速查找元素的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),本文給大家介紹Redis中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)跳表,感興趣的朋友跟隨小編一起看看吧

Redis-數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-跳表詳解

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

Redis 中廣泛使用跳表來(lái)實(shí)現(xiàn)有序集合（Sorted Set）這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.跳表的基本概念和特點(diǎn)

跳表的核心思想是通過(guò)在不同層級(jí)（level）上增加指針來(lái)加速查找。

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每一層都是一個(gè)元素鏈表，其中第 0 層是一個(gè)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(guò)一些元素，從而加快查找速度。

結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：

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

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

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

2.Redis 中的跳表應(yīng)用

在 Redis 中，跳表主要用于實(shí)現(xiàn)有序集合（Sorted Set）這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

有序集合是指每個(gè)元素都關(guān)聯(lián)一個(gè)分?jǐn)?shù)（score），并且集合中的元素按照分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序

。Redis 中的有序集合支持以下幾個(gè)關(guān)鍵操作，都是基于跳表實(shí)現(xiàn)的：

元素的插入和刪除：跳表的動(dòng)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?jǐn)?shù)范圍獲取元素：通過(guò)跳表的多層索引，可以快速定位并獲取指定分?jǐn)?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?jǐn)?shù)從小到大的順序）和反向排名（按照分?jǐn)?shù)從大到小的順序）。

交集、并集和差集運(yùn)算：Redis 中的有序集合可以進(jìn)行交集、并集和差集的運(yùn)算，這些運(yùn)算需要高效地合并多個(gè)有序集合，跳表的查找特性使得這些運(yùn)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(shù)或者紅黑樹(shù)呢？

1.簡(jiǎn)單性和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度：

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

2.平均時(shí)間復(fù)雜度：

跳表在平均情況下的時(shí)間復(fù)雜度為O(log n)，與紅黑樹(shù)相當(dāng)，而二叉搜索樹(shù)的最壞情況下可能會(huì)退化為O(n)。雖然紅黑樹(shù)在理論上也可以實(shí)現(xiàn)O(log n)的時(shí)間復(fù)雜度，但是其實(shí)現(xiàn)和調(diào)整過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，不如跳表直觀和容易理解。

3.空間復(fù)雜度：

跳表在內(nèi)存中占用的額外空間用于維護(hù)多級(jí)索引，相對(duì)而言比紅黑樹(shù)略多，但是這些空間相對(duì)于整個(gè)數(shù)據(jù)集來(lái)說(shuō)通常是可以接受的。而紅黑樹(shù)由于額外的節(jié)點(diǎn)顏色標(biāo)記和平衡維護(hù)可能會(huì)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(jiǎn)單結(jié)構(gòu)使得并發(fā)操作更為容易實(shí)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(shí)現(xiàn)相對(duì)于復(fù)雜的平衡樹(shù)結(jié)構(gòu)更容易處理并發(fā)操作。

5.實(shí)際應(yīng)用需求：

Redis的有序集合通常不需要嚴(yán)格的平衡樹(shù)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(shù)相比具有更高的實(shí)用性。

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