Redis skip list结构分析

如何实现一个海量用户的实时排名系统？或许可以用 mysql 搞一个纠结的方案；但要是选择了 redis，那绝对是既简单又优雅。Redis 的 zset 本身就是一种支持排序的集合，而 zset 的实现，则使用了 skip list 数据结构。Skip list 是一种多层次的有序链表，通过随机地选择层数来实现插入、查找和删除都是O(logn)的时间复杂度（和平衡树同样的效率，但实现比平衡树简单很多）。关于 skip list 的具体介绍可以参见 William Pugh 的论文：Skip Lists: A Probabilistic Alternative to Balanced Trees 。下面我们来分析一下 redis 中 skip list 的实现。

Redis 中 skip list 主要有 zskiplist 和 zskiplistNode 两个数据结构：

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;

其中 zskiplistNode 中包含一个 zskiplistLevel 数组，数组的大小根据节点所在的层数(level)决定。backward 指针是为了方便向后遍历而对 skip list 做的改进。

主要的 API 有：

zslCreate            创建一个 zskiplist，并添加一个具有最高层数 ZSKIPLIST_MAXLEVEL（代码中定义为32）的节点来管理分层的链表。

zslInsert              插入一个节点到 zskiplist，并调整每一个层级的链表都是有序的。

zslDelete            从 zskiplist 删除一个节点，并调整剩余节点在每个层级都是有序的。

zslRandomLevel 为新加入的节点随机产生一个不超过 ZSKIPLIST_MAXLEVEL 的层数。

zslInsert 和 zslDelete 函数都需要首先查找到合适的位置或节点，查找的代码很简单，直接包含在了这两个函数内：

x = zsl->header;

for (i = zsl->level-1; i >= 0; i–) {

/* store rank that is crossed to reach the insert position */

    rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];

    while (x->level[i].forward &&

          (x->level[i].forward->score < score

             (x->level[i].forward->score == score &&

          compareStringObjects (x->level[i].forward->obj,obj) < 0))) {

       rank[i] += x->level[i].span;

       x = x->level[i].forward;

   }

   update[i] = x;

}

查找是从 zskiplist 现有的最高层开始向前，并在查找的过程中根据规则转向低层的链表继续，一直到 skip list 的最低层为止。同时看到 redis 的实现中允许相同的 score 存在（这时按对象的字符串进行比较），但不允许具有相同值的对象并存（集合的特性）。

下面通过一个例子来说明 skip list 的建立过程。

按顺序执行下列语句：

zslInsert (zsl, 5, obj1);              //level=1;

zslInsert (zsl, 3, obj2);              //level=2;

zslInsert (zsl, 4, obj3);              //level=1;

zslInsert (zsl, 1, obj4);              //level=3;

zslInsert (zsl, 2, obj5);              //level=1;

现在的 zsl 结构如下图所示，其中 level array 的数组下标是为了图例更直观，实际不占存储空间。为了保证图例的简洁，backward 的指针没有画出，对应 level 0 红色指针相反方向的指针。

祝大家玩儿的开心！

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