解析Redis跳跃列表原理（redis跳跃列表原理）

Redis跳跃列表（Skip List）是一种基于链表的数据结构，用于实现有序集合（Sorted Set）的存储和操作。Redis跳跃列表的优势在于其查找、插入、删除等操作都有较高的效率，同时还支持对数据进行区间查询。

一、Redis跳跃列表的基本结构

Redis跳跃列表由多层链表组成，其中第一层链表为完整的链表，包含所有节点。每一层链表所包含的节点数量是下一层的一半，节点分为两种类型：普通节点和跳跃节点。普通节点存储了数据和指向下一节点及上一节点的指针，跳跃节点则保存了指向下一层链表的指针。

二、Redis跳跃列表的查找操作

1. 顺序查找

顺序查找即从头开始遍历跳跃列表，直到找到目标节点为止。这种方式的查找效率很低，比较适合在列表长度很短的情况下使用。

下面是顺序查找代码实现：

“`python

def search_sequential(skiplist, target):

”’顺序查找跳跃列表”’

current_node = skiplist.head

while current_node is not None:

if current_node.data == target:

return current_node

elif current_node.data

current_node = current_node.next

else:

return None

return None

2. 跳跃查找

跳跃查找是一种类似于折半查找的方式，由于节点已经按照大小排序，因此可以通过快速定位到目标节点位置。每一次查找都会跳过一定数量的节点，直到找到较为接近目标的节点，然后在该节点所在的层级上进行顺序查找。

该算法的时间复杂度为O(log n)，是Redis跳跃列表查找最常用的方法。

下面是跳跃查找代码实现：

```python
def search_skip(skiplist, target):
    '''跳跃查找跳跃列表'''
    current_node = skiplist.head
    for i in range(skiplist.max_level-1, -1, -1):
        while current_node.level[i].next is not None and current_node.level[i].next.data 
            current_node = current_node.level[i].next
        
        if current_node.level[i].next is not None and current_node.level[i].next.data == target:
            return current_node.level[i].next
    
    return None

三、Redis跳跃列表的插入和删除操作

1. 插入操作

插入操作需要首先通过跳跃查找，找到插入位置的前一个节点。然后在该节点的下一个节点处插入新节点，并将新节点插入到对应的所有层级中（其中大于等于1的每一层都有一定的概率插入新节点）。

插入操作的时间复杂度为O(log n)。

下面是插入操作代码实现：

“`python

def insert(skiplist, data):

”’插入节点到跳跃列表”’

current_node = skiplist.head

update = [None] * skiplist.max_level

for i in range(skiplist.max_level-1, -1, -1):

while current_node.level[i].next is not None and current_node.level[i].next.data

current_node = current_node.level[i].next

update[i] = current_node

if current_node.level[0].next is not None and current_node.level[0].next.data == data:

return

new_node = Node(data)

level = skiplist.random_level()

if level > skiplist.level:

for i in range(skiplist.level, level):

update[i] = skiplist.head

skiplist.level = level

for i in range(level):

new_node.level[i].next = update[i].level[i].next

update[i].level[i].next = new_node

skiplist.length += 1

2. 删除操作

删除操作也需要通过跳跃查找，找到目标节点位置，然后在每个层级中依次删除节点。如果需要保持跳跃列表有序，还需要调整删除节点的前一个节点的指针。

删除操作的时间复杂度为O(log n)。

下面是删除操作代码实现：

```python
def delete(skiplist, data):
    '''删除节点从跳跃列表'''
    current_node = skiplist.head
    update = [None] * skiplist.max_level
    for i in range(skiplist.max_level-1, -1, -1):
        while current_node.level[i].next is not None and current_node.level[i].next.data 
            current_node = current_node.level[i].next
        
        update[i] = current_node
    
    if current_node.level[0].next is not None and current_node.level[0].next.data == data:
        for i in range(skiplist.level):
            if update[i].level[i].next is not None and update[i].level[i].next.data == data:
                update[i].level[i].next = update[i].level[i].next.level[i].next
            
        skiplist.length -= 1

四、Redis跳跃列表的优化

1. 跳跃列表节点划分概率

跳跃列表每个层级的节点数是有一定偏差的，因此可以通过调整节点层级的概率，使跳跃列表更平均地平衡。

下面是节点层级概率调整代码实现：

“`python

class SkipList:

”’跳跃列表”’

def __init__(self, max_level=32, p=0.25):

”’跳跃列表初始化”’

self.head = Node()

self.max_level = max_level

self.p = p

self.level = 1

self.length = 0

def random_level(self):

”’随机计算节点层级”’

level = 1

while random.random()

level += 1

return level

2. 跳跃列表动态调整

跳跃列表的插入、删除操作可能会导致跳跃列表的层级发生变化，因此需要进行动态调整。如果删除操作导致层级为0，需要将层级重置为1。

下面是层级动态调整代码实现：

```python
def delete(skiplist, data):
    '''删除节点从跳跃列表'''
    current_node = skiplist.head
    update = [None] * skiplist.max_level
    for i in range(skiplist.max_level-1, -1, -1):
        while current_node.level[i].next is not None and current_node.level[i].next.data 
            current_node = current_node.level[i].next
        
        update[i] = current_node
    
    if current_node.level[0].next is not None and current_node.level[0].next.data == data:
        for i in range(skiplist.level):
            if update[i].level[i].next is not None and update[i].level[i].next.data == data:
                update[i].level[i].next = update[i].level[i].next.level[i].next
            
            if skiplist.level > 1 and skiplist.head.level[i].next is None:
                skiplist.level -= 1
                update[i] = skiplist.head
        
        skiplist.length -= 1

五、总结

Redis跳跃列表是一种高效的有序数据结构，适用于对有序集合进行存储、操作和查询等操作。通过灵活地调整节点层级概率和层级动态调整，可以使久辈条呢处于良好的稳定状态，并且具有较高的效率和可扩展性。