跳跃表简介

跳跃表（skiplist）是一种随机化的数据结构，由 William Pugh 在论文《Skip lists: a probabilistic alternative to balanced trees》中提出，是一种可以与平衡树媲美的层次化链表结构——查找、删除、添加等操作都可以在对数期望时间下完成，以下是一个典型的跳跃表例子：

有一个叫做 有序列表 zset 的数据结构，它类似于 Java 中的 SortedSet 和 HashMap 的结合体，一方面它是一个 set 保证了内部 value 的唯一性，另一方面又可以给每个 value 赋予一个排序的权重值 score，来达到 排序 的目的。

它的内部实现就依赖了一种叫做 「跳跃列表」 的数据结构。

为什么使用跳跃表

首先，因为 zset 要支持随机的插入和删除，所以它 不宜使用数组来实现，关于排序问题，我们也很容易就想到 红黑树/ 平衡树 这样的树形结构，为什么 Redis 不使用这样一些结构呢？

1. 性能考虑： 在高并发的情况下，树形结构需要执行一些类似于 rebalance 这样的可能涉及整棵树的操作，相对来说跳跃表的变化只涉及局部 (下面详细说)；
2. 实现考虑： 在复杂度与红黑树相同的情况下，跳跃表实现起来更简单，看起来也更加直观；

基于以上的一些考虑，Redis 基于 William Pugh 的论文做出一些改进后采用了 跳跃表 这样的结构。

本质是解决查找问题

我们先来看一个普通的链表结构：

我们需要这个链表按照 score 值进行排序，这也就意味着，当我们需要添加新的元素时，我们需要定位到插入点，这样才可以继续保证链表是有序的，通常我们会使用 二分查找法，但二分查找是有序数组的，链表没办法进行位置定位，我们除了遍历整个找到第一个比给定数据大的节点为止 （时间复杂度 O(n)) 似乎没有更好的办法。

但假如我们每相邻两个节点之间就增加一个指针，让指针指向下一个节点，如下图：

这样所有新增的指针连成了一个新的链表，但它包含的数据却只有原来的一半 （图中的为 3，11）。

现在假设我们想要查找数据时，可以根据这条新的链表查找，如果碰到比待查找数据大的节点时，再回到原来的链表中进行查找，比如，我们想要查找 7，查找的路径则是沿着下图中标注出的红色指针所指向的方向进行的：

这是一个略微极端的例子，但我们仍然可以看到，通过新增加的指针查找，我们不再需要与链表上的每一个节点逐一进行比较，这样改进之后需要比较的节点数大概只有原来的一半。

利用同样的方式，我们可以在新产生的链表上，继续为每两个相邻的节点增加一个指针，从而产生第三层链表：

在这个新的三层链表结构中，我们试着 查找 13，那么沿着最上层链表首先比较的是 11，发现 11 比 13 小，于是我们就知道只需要到 11 后面继续查找，从而一下子跳过了 11 前面的所有节点。

可以想象，当链表足够长，这样的多层链表结构可以帮助我们跳过很多下层节点，从而加快查找的效率。

更进一步的跳跃表

跳跃表 skiplist 就是受到这种多层链表结构的启发而设计出来的。按照上面生成链表的方式，上面每一层链表的节点个数，是下面一层的节点个数的一半，这样查找过程就非常类似于一个二分查找，使得查找的时间复杂度可以降低到 O(logn)。

但是，这种方法在插入数据的时候有很大的问题。新插入一个节点之后，就会打乱上下相邻两层链表上节点个数严格的 2:1 的对应关系。如果要维持这种对应关系，就必须把新插入的节点后面的所有节点 （也包括新插入的节点） 重新进行调整，这会让时间复杂度重新蜕化成 O(n)。删除数据也有同样的问题。

skiplist 为了避免这一问题，它不要求上下相邻两层链表之间的节点个数有严格的对应关系，而是 为每个节点随机出一个层数(level)。比如，一个节点随机出的层数是 3，那么就把它链入到第 1 层到第 3 层这三层链表中。为了表达清楚，下图展示了如何通过一步步的插入操作从而形成一个 skiplist 的过程：

从上面的创建和插入的过程中可以看出，每一个节点的层数（level）是随机出来的，而且新插入一个节点并不会影响到其他节点的层数，因此，插入操作只需要修改节点前后的指针，而不需要对多个节点都进行调整，这就降低了插入操作的复杂度。

现在我们假设从我们刚才创建的这个结构中查找 23 这个不存在的数，那么查找路径会如下图：

需要注意的是，前面演示的各个节点的插入过程，实际上在插入之前也要先经历一个类似的查找过程，在确定插入位置后，再完成插入操作。

至此，skiplist的查找和插入操作，我们已经很清楚了。而删除操作与插入操作类似，我们也很容易想象出来。这些操作我们也应该能很容易地用代码实现出来。

当然，实际应用中的skiplist每个节点应该包含key和value两部分。前面的描述中我们没有具体区分key和value，但实际上列表中是按照key进行排序的，查找过程也是根据key在比较。

但是，如果你是第一次接触skiplist，那么一定会产生一个疑问：节点插入时随机出一个层数，仅仅依靠这样一个简单的随机数操作而构建出来的多层链表结构，能保证它有一个良好的查找性能吗？为了回答这个疑问，我们需要分析skiplist的统计性能。

在分析之前，我们还需要着重指出的是，执行插入操作时计算随机数的过程，是一个很关键的过程，它对skiplist的统计特性有着很重要的影响。这并不是一个普通的服从均匀分布的随机数，它的计算过程如下：

首先，每个节点肯定都有第1层指针（每个节点都在第1层链表里）。

如果一个节点有第i层(i>=1)指针（即节点已经在第1层到第i层链表中），那么它有第(i+1)层指针的概率为p。

节点最大的层数不允许超过一个最大值，记为MaxLevel。

这个计算随机层数的伪码如下所示：

randomLevel()
    level := 1
    // random()返回一个[0...1)的随机数
    while random() < p and level < MaxLevel do
        level := level + 1
    return level

randomLevel()的伪码中包含两个参数，一个是p，一个是MaxLevel。在Redis的skiplist实现中，这两个参数的取值为：

p = 1/4
MaxLevel = 32

skiplist与平衡树、哈希表的比较

• skiplist和各种平衡树（如AVL、红黑树等）的元素是有序排列的，而哈希表不是有序的。因此，在哈希表上只能做单个key的查找，不适宜做范围查找。所谓范围查找，指的是查找那些大小在指定的两个值之间的所有节点。

• 在做范围查找的时候，平衡树比skiplist操作要复杂。在平衡树上，我们找到指定范围的小值之后，还需要以中序遍历的顺序继续寻找其它不超过大值的节点。如果不对平衡树进行一定的改造，这里的中序遍历并不容易实现。而在skiplist上进行范围查找就非常简单，只需要在找到小值之后，对第1层链表进行若干步的遍历就可以实现。

• 平衡树的插入和删除操作可能引发子树的调整，逻辑复杂，而skiplist的插入和删除只需要修改相邻节点的指针，操作简单又快速。

• 从内存占用上来说，skiplist比平衡树更灵活一些。一般来说，平衡树每个节点包含2个指针（分别指向左右子树），而skiplist每个节点包含的指针数目平均为1/(1-p)，具体取决于参数p的大小。如果像Redis里的实现一样，取p=1/4，那么平均每个节点包含1.33个指针，比平衡树更有优势。

• 查找单个key，skiplist和平衡树的时间复杂度都为O(log n)，大体相当；而哈希表在保持较低的哈希值冲突概率的前提下，查找时间复杂度接近O(1)，性能更高一些。所以我们平常使用的各种Map或dictionary结构，大都是基于哈希表实现的。

• 从算法实现难度上来比较，skiplist比平衡树要简单得多。

Redis中的skiplist实现

在这一部分，我们讨论Redis中的skiplist实现。

在Redis中，skiplist被用于实现暴露给外部的一个数据结构：sorted set。准确地说，sorted set底层不仅仅使用了skiplist，还使用了ziplist和dict。这几个数据结构的关系，我们下一章再讨论。现在，我们先花点时间把sorted set的关键命令看一下。这些命令对于Redis里skiplist的实现，有重要的影响。

sorted set的命令举例

sorted set是一个有序的数据集合，对于像类似排行榜这样的应用场景特别适合。

现在我们来看一个例子，用sorted set来存储代数课（algebra）的成绩表。原始数据如下：

• Alice 87.5
• Bob 89.0
• Charles 65.5
• David 78.0
• Emily 93.5
• Fred 87.5

这份数据给出了每位同学的名字和分数

对于上面的这些命令，我们需要的注意的地方包括：

• 前面的6个zadd命令，将6位同学的名字和分数(score)都输入到一个key值为algebra的sorted set里面了。注意Alice和Fred的分数相同，都是87.5分。

• zrevrank命令查询Alice的排名（命令中的rev表示按照倒序排列，也就是从大到小），返回3。排在Alice前面的分别是Emily、Bob、Fred，而排名(rank)从0开始计数，所以Alice的排名是3。注意，其实Alice和Fred的分数相同，这种情况下sorted set会把分数相同的元素，按照字典顺序来排列。按照倒序，Fred排在了Alice的前面。

• zscore命令查询了Charles对应的分数。

• zrevrange命令查询了从大到小排名为0~3的4位同学。

• zrevrangebyscore命令查询了分数在80.0和90.0之间的所有同学，并按分数从大到小排列。

总结一下，sorted set中的每个元素主要表现出3个属性：

数据本身（在前面的例子中我们把名字存成了数据）。
每个数据对应一个分数(score)。
根据分数大小和数据本身的字典排序，每个数据会产生一个排名(rank)。可以按正序或倒序。

Redis中skiplist实现的特殊性

我们简单分析一下前面出现的几个查询命令：

• zrevrank由数据查询它对应的排名，这在前面介绍的skiplist中并不支持。
• zscore由数据查询它对应的分数，这也不是skiplist所支持的。
• zrevrange根据一个排名范围，查询排名在这个范围内的数据。这在前面介绍的skiplist中也不支持。
• zrevrangebyscore根据分数区间查询数据集合，是一个skiplist所支持的典型的范围查找（score相当于key）。

实际上，Redis中sorted set的实现是这样的：

• 当数据较少时，sorted set是由一个ziplist来实现的。
• 当数据多的时候，sorted set是由一个dict + 一个skiplist来实现的。简单来讲，dict用来查询数据到分数的对应关系，而skiplist用来根据分数查询数据（可能是范围查找）。

这里sorted set的构成我们在下一章还会再详细地讨论。现在我们集中精力来看一下sorted set与skiplist的关系，：

• zscore的查询，不是由skiplist来提供的，而是由那个dict来提供的。
• 为了支持排名(rank)，Redis里对skiplist做了扩展，使得根据排名能够快速查到数据，或者根据分数查到数据之后，也同时很容易获得排名。而且，根据排名的查找，时间复杂度也为O(log n)。
• zrevrange的查询，是根据排名查数据，由扩展后的skiplist来提供。
• zrevrank是先在dict中由数据查到分数，再拿分数到skiplist中去查找，查到后也同时获得了排名。

前述的查询过程，也暗示了各个操作的时间复杂度：

• zscore只用查询一个dict，所以时间复杂度为O(1)
• zrevrank, zrevrange, zrevrangebyscore由于要查询skiplist，所以zrevrank的时间复杂度为O(log n)，而zrevrange, zrevrangebyscore的时间复杂度为O(log(n)+M)，其中M是当前查询返回的元素个数。

总结起来，Redis中的skiplist跟前面介绍的经典的skiplist相比，有如下不同：

• 分数(score)允许重复，即skiplist的key允许重复。这在最开始介绍的经典skiplist中是不允许的。
• 在比较时，不仅比较分数（相当于skiplist的key），还比较数据本身。在Redis的skiplist实现中，数据本身的内容唯一标识这份数据，而不是由key来唯一标识。另外，当多个元素分数相同的时候，还需要根据数据内容来进字典排序。
• 第1层链表不是一个单向链表，而是一个双向链表。这是为了方便以倒序方式获取一个范围内的元素。
• 在skiplist中可以很方便地计算出每个元素的排名(rank)。

skiplist的数据结构定义

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32
#define ZSKIPLIST_P 0.25

typedef struct zskiplistNode {
    robj *obj;
    double score;
    struct zskiplistNode *backward;
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned int span;
    } level[];
} zskiplistNode;

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

Redis为什么用skiplist而不用平衡树？

在前面我们对于skiplist和平衡树、哈希表的比较中，其实已经不难看出Redis里使用skiplist而不用平衡树的原因了。现在我们看看，对于这个问题，Redis的作者 @antirez 是怎么说的：

There are a few reasons:

1. They are not very memory intensive. It’s up to you basically. Changing parameters about the probability of a node to have a given number of levels will make then less memory intensive than btrees.
2. A sorted set is often target of many ZRANGE or ZREVRANGE operations, that is, traversing the skip list as a linked list. With this operation the cache locality of skip lists is at least as good as with other kind of balanced trees.
3. They are simpler to implement, debug, and so forth. For instance thanks to the skip list simplicity I received a patch (already in Redis master) with augmented skip lists implementing ZRANK in O(log(N)). It required little changes to the code.

这里从内存占用、对范围查找的支持和实现难易程度这三方面总结的原因，我们在前面其实也都涉及到了。