Redis实现线性跳表效率更高的存储数据方式（redis线性跳表）

Redis实现线性跳表：效率更高的存储数据方式

随着数据量的不断增加，越来越多的应用程序需要使用高效的数据结构来存储数据。为此，现代技术中诞生了许多高级数据结构，其中线性跳表是其中的一种，能够提供高效地存储和处理大量数据。

Redis是一种流行的开源缓存解决方案，支持各种数据结构，如哈希表、列表、集合等。虽然Redis没有直接实现线性跳表，但可以通过实现代码来使用线性跳表来存储和管理数据。在本文中，我们将讨论如何利用Redis实现线性跳表。

线性跳表简介

线性跳表（Skiplist）是一种高效的数据结构，通常用于实现有序集合（Sorted Set）。它使用一种类似于二分查找的技术来避免遍历整个数据结构。线性跳表中的每个节点都包含了一个值、指向下一个节点的指针，以及一组指向其它节点的“跳跃指针”（以下称为“跳指针”）。

跳指针按照固定规则分布在整个数据结构中。例如，一个具有 N 个节点的线性跳表拥有以1/2为底的log2N级跳指针。这些跳指针使得我们可以跨越一定数量的节点，从而更快地找到所需的节点，规则如下：

1. 在每个级别上，都可以找到一个“头”节点。它们是“每一层”的左边界，左右两个指针都会同时指向相同的节点。

2. 一个节点在任何一个级别上都可以拥有多个后继节点（后继节点的排列顺序随机）。

3. 如果一个节点在某一个级别上有后继节点，那么它在所有低于该级别的跳表里也都有后继节点。

4. 所有节点的后继指针都不会指向同一层的同一侧。

5. 跳表里的最高层包含所有节点，同时每一个节点的后继指针都指向 null。

跳表可以在 avg(logn)/2 级内完成搜索、插入和删除等操作，其中n是节点数。 这是由于这种数据结构是基于有序的链接列表实现的，所以它可以快速进行操作，而不像传统的链表一样需要遍历所有数据来查找元素。接下来我们将介绍如何使用Redis实现线性跳表。

Redis实现线性跳表

Redis不直接提供线性跳表的实现，需要使用有序集合（Sorted Set）和Redis的脚本来实现它。在有序集合中，每个成员都与一个分数（Score）相关联，这个分数可以用来排序。因此，我们可以使用每个跳表节点的值作为有序集合中的成员，使用节点在跳表中的层数作为该成员的分数，实现在跳表中的有序存储。

下面我们来看一下如何创建线性跳表。我们创建一个有序集合，存储所有跳表节点，并将节点的值作为有序集合中的成员：

ZADD Skiplist 0 start
ZADD Skiplist inf end

为了保证节点在所有层之间的一致性，我们在跳表的所有层中都包含起始节点和结束节点，在比较节点时可以避免出现异常情况。初始值是0和inf，表示开始和结束。在跳表中添加节点时，首先生成随机层数（0~MAX_LEVEL之间的整数），然后根据生成的随机层数，在每个层级中添加一个指向新节点的跳指针。

EVAL "local score = tonumber(ARGV[1]) \
        local value = tonumber(ARGV[2]) \
        -- 获取随机层数 \
        local level = 0 \
        while math.random() 
            level = level + 1 \
        end \
        -- 获取每个层级的前一个节点 \
        local prevs = redis.call('ZREVRANGEBYSCORE', KEYS[1], score, '-inf', 'WITHSCORES', 'LIMIT', 0, 1) \
        local keyvalues = {} \
        -- 在每个层级中插入新节点 \
        for i=1, level+1 do \
            local k,v \
            if i == 1 then \
                k = 'start' \
                v = 0 \
            elseif i == level+1 then \
                k = 'end' \
                v = math.huge \
            else \
                k,v = unpack(redis.call('ZRANGEBYSCORE', KEYS[1], prevs[2*i-3], '-inf', 'WITHSCORES', 'LIMIT', 0, 1)) \
            end \
            table.insert(keyvalues, k) \
            table.insert(keyvalues, v) \
            redis.call('ZADD', KEYS[1]..':lvl'..i, score, value) \
            if i > 1 then \
                redis.call('ZADD', KEYS[1]..':lvl'..i..':right', prevs[2*i-2], value) \
                redis.call('ZADD', KEYS[1]..':lvl'..i..':left', value, prevs[2*i-4]) \
            end \
        end \
        return keyvalues" 2 Skiplist score value

添加新节点时首先通过有序集合的 ZREVRANGEBYSCORE 命令获取每个层级的前一个节点，然后在每个层级中插入新节点。使用“:lvl”后缀表示节点在当前层级中的排名，在“:left”和“:right”后缀的有序集合分别存储当前节点的前一个节点集合和后继节点集合。在所有层级中，节点值相同，但在每个层级的分数不同。

例如，当调用 add_node(Skiplist, 10, “Node X”) 时，会将节点“Node X”加入到跳表中，并生成一个以下图示的典型跳表（一个有2个跳指针的例子）：

Layer 3:
start[0] → Node A [1.0] → Node B [2.0] → end[inf] 

Layer 2:
start[0] → Node A [1.0] → Node B [2.0] → end[inf] 
Layer 1:
start[0] → Node A [1.0] → Node C [1.8] → Node E [2.7] → Node F [3.8] → end[inf] 
Layer 0:
start[0] → Node A [1.0] → Node C [1.8] → Node D [2.0] → Node E [2.7] → Node F [3.8] → Node X [10.0] → end[inf] 

在查询跳表时，我们首先在最高层级中开始查找，使用 ZRANGEBYSCORE 命令查找节点并存储结果作为当前层级的结果。然后沿着跳指针前进，到达目标层级并查找结果。如果找到了目标节点，返回它的值。

EVAL "local value = tonumber(ARGV[1]) \
        local prev = 'start' \
        local x = redis.call('ZREVRANGEBYSCORE', KEYS[1], '+inf', '-inf', 'WITHSCORES') \
        local result \
        for i=#x,2,-2 do \
            local curr = x[i-1] \
            if prev ~= 'start' and curr == value then \
                result = prev \
                break \
            end \
            if redis.call('ZSCORE', KEYS[1]..':lvl'..i