跳表的原理與實現 Golang 版

跳表的原理與實現 golang 版

有時候，我們會說，在計算機世界裡，其實只有兩種資料結構，乙個是陣列乙個是鍊錶。原因是其他的資料結構都是基於這兩種資料結構做的擴充套件。

陣列和鍊錶的優缺點實在是非常的明顯。陣列可以高效查詢，按照下標索引，但是很難進行高效的刪除和擴容。鍊錶的優缺點正好相反。很多時候，我們不用鍊錶的原因就是因為它沒有辦法快速查詢和插入。但是，如果我們可以對它進行改造，讓它可以使用類似二分查詢的方法就很棒了。這個改造的結果就是 skiplist。

跳表的原理

skiplist 的原理是給鍊錶中的某一些元素新增索引，然後建立多級索引達到效果。

每隔幾個節點，從鍊錶中提取出乙個節點作為一級索引。然後再從一級索引中，每隔幾個節點，再提取乙個節點作為二級索引。如下圖所示：

當我們查詢時，在最高端索引中查詢，依次向下。假如我們要查詢數字 18。我們從最高端索引中查詢，找到 5，然後找到 27 時，發現它大於 18，我們到下一級查詢。在下一級中找到 15，然後 27，發現 27 比 18 大，然後到最低階中查詢，15 的後乙個就是 18。

可以看到，即便是在元素很少的時候，這個查詢路徑也要比從頭開始查詢要少乙個元素。如果想象整個鍊錶的資料是 1000 個，或者 10000 個，那麼查詢效率會大大提公升。

跳表的空間時間占用

但是，skiplist 有乙個明顯的缺點，就是空間占用變多，假設每兩個元素提出乙個索引時，空間占用就是：n2,n4,n8,…,8,4,2\frac n 2, \frac n 4, \frac n 8, …, 8, 4, 2 ，求和之後得到 n−2n-2。實際上就是 o(n)o(n) 的時間複雜度。但是實際上，索引儲存的只是實際資料的指標，即便是多級索引，也是多了幾個索引而已。並不是將原始資料 copy 一遍。所以，實際使用的過程中，這個空間並不會達到 o(n)o(n) 這麼誇張。

但是，時間複雜度的降低可不是一點點。假設我們在任何一級中，都保持每兩個元素提出乙個索引。那麼一級索引就是 n2\frac n 2 ，二級索引就是 n4\frac n 4 ，以此類推，可以得到第 kk 級索引的節點個數就是 n2k\frac n 。加入索引有 hh 級，有兩個索引節點，那麼可得 n2h=2\frac n = 2 ，那麼可以得到 h=log⁡2n−1h = \log_2 n -1，如果再加上原始鍊錶一層，那麼就是 log⁡2n\log_2 n 。在查詢過程中，如果每一層都需要查詢 mm 個節點，那麼時間複雜度就是 o(m∗log⁡2n)o(m * \log_2 n) ，因為每一層 mm 的值有乙個最大的限制。時間複雜度為 o(log⁡2n)o(\log_2n)。

跳表的索引生成

當我們向乙個鍊錶中新增乙個節點後，索引之間的節點數就會增多，如果增加太多的話，就會導致跳表的查詢效率急劇退化。所以，當我們向跳表中新增乙個元素之後，我們就要決定是否要對它生成索引，生成到幾級。所以，我們也像紅黑樹一樣，需要有一種手段來維護整個跳表。

如果節點增多了，那麼相應的索引就增多，避免效能退化。紅黑樹通過左右旋轉來達到這個要求。跳表一般使用乙個隨機函式來決定將這個結點插入到哪幾級索引中，比如隨機函式生成了值 x，那我們就將這個結點新增到第一級到第 x 級的索引中。

跳表的實現

那麼下面我們來實現乙個 skiplist。下面的跳表實現了乙個 sortedset，乙個有序的不能重複的跳表結構。

跳表定義

const max_level = 16

const level_factor = 0.5

const (

ok = iota + 1

duplicated

not_exist

not_init

)type inte***ce inte***ce

type fakenode struct

func (f *fakenode) less(p inte***ce) bool

func (f *fakenode) equal(p inte***ce) bool

複製**

上面定義了一些後面會用到的 struct 和 inte***ce 。最主要的就是 inte***ce ，他用來描述乙個實際儲存的物件。

fakenode 是用來放在鍊錶的頭部，方便後面的節點操作。這是資料結構中一種常用的哨兵方法。

type node struct 
type skiplist struct 
func newnode
(p inte***ce, l int)
*node 
}func newskiplist()
*skiplist 
,max_level),
0,1}
}

下面是具體的方法實現，主要實現了三個 add 、 delete 和 search。

跳表新增元素

func
(sl *skiplist)
randomlevel
() int 
if sl.level+
1< l 
return l
}func
(sl *skiplist)
add(p inte***ce) int 
cur :
= sl.head
update :=[
max_level
]*node
i :=max_level-1
for; i >=
0; i--
if!cur.forwards[i]
.data.
less
(p) 
cur = cur.forwards[i]
}if nil == cur.forwards[i]
} 
sl.length++ 
l := sl.
randomlevel()
n :=newnode
(p, l)
for i :=0
; i < n.level; i++
if n.level > sl.level 
return
ok}

跳表刪除元素

func
(sl *skiplist)
delete
(p inte***ce) int 
for i :
= sl.level -
1; i >=
0; i--
cur = cur.forwards[i]}}
cur = update[0]
.forwards[0]
if cur == nil 
for i :
= cur.level -
1; i >=
0; i--
if nil != update[i]
.forwards[i]
} sl.length--
return
ok}

跳表查詢元素

func
(sl *skiplist)
search
(p inte***ce)
*node 
i :=max_level-1
for; i >=
0; i--
if!cur.forwards[i]
.data.
less
(p) cur = cur.forwards[i]
}if nil == cur.forwards[i]
}return nil
}

其他方法

func
(sl *skiplist)
print()
fmt.
println(""
) cur = sl.head
}}func
(sl *skiplist)
length
() uint32 
func
(sl *skiplist)
level
() int

尾聲

跳表的使用其實比較廣泛，在某些場景下，可以替換紅黑樹，而且比紅黑樹實現要簡單得多。在 redis 的 sortedset 中，就用了跳表來實現這一資料結構。

跳表的原理與實現 Golang 版

熔斷原理與實現Golang版

跳表的原理及其實現

跳表的介紹與實現

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