Redis Zset类型跳跃表算法实现(JAVA)

 

Redis 有序集合类型(zset) 底层核心实现的机制就是跳跃表

 

最近公司搞了技术分享的活动,正好快到我了,最近在研究Redis就说说redis实现的原理吧. 发现还是晚上脑子比较好使,建议看代码时候边看边画图 推荐画图工具 http://draw.io/

首先定义一个双向链表的类

 

 

 

双向链表的流程图

 

 跳跃表的结构图

 

 

 

 

 

跳跃表查找的过程

 

 

 

 

 

跳跃表结构

 

 具体代码

 

import wl.redis.Message;
import java.util.*;
class Node
{
    public Integer value;    //插入的score排序数据
    public String  text;
    public Node up,down,left,right;     //分别对应的四个方向的指针
    public Node(Integer value)   //构造函数
    {
        this.value=value;
        down=up=right=left=null;
    }
    public Node(Integer value, String text) {
        this.value = value;
        this.text = text;
    }
}
public class SkipList {
    private Node head;   //最上面一侧的头结点，这里使用的是双链表
    private Node tail;   //最上面一层的尾节点，这里的头尾节点是不存储数据的，数据域全是null
    private int level;    //表中的最高的层数，就是总共的层数
    private int size;    //插入节点的个数，头尾节点除外
    private Random random;   //用来判断是否需要增加高度的随机函数
    public SkipList() {
        level = 0;     //level默认是0层，就是只有最下面的一层
        head = new Node(null);
        tail = new Node(null);
        head.right = tail;    //这里初始化成一个只有一层的双链表
        tail.left = head;
        size = 0;     //size初始化为0
        random = new Random();
    }
    //这个函数的作用是找到插入节点的前面一个节点，这里默认的是将表升序存储
    public Node findFirst(Integer value) {
        Node p = head;
        while (true) {
            //判断要插入的位置，当没有查到尾节点并且要插入的数据还是比前面的大的话，就将节点右移，知道找到合适的位置
            //这里需要注意的是这里的head代表不一定是最底层的，因此这里的查找都是从最高层进行查找的，如果满足条件就要向下移动
            //直到最底层
            while (p.right.value != null && p.right.value <= value) {
                p = p.right;
            }
            //向下移动，直到到达最后一层
            if (p.down != null) {
                p = p.down;
            } else {   //到达最底层跳出即可
                break;
            }
        }
        return p;  //此时这里的p就是要插入节点的前面一个节点
    }
    //这是插入函数，这里先执行插入，然后判断是否需要增加高度
    public void insert(int value,String text) {
        Node curr = findFirst(value);  //先找到插入位置的前面一个节点
        Node q = new Node(value,text);   //新建一个插入的节点
        //redis 中不允许score相同和值也相同的出现
        if (curr.value!=null && curr.value == q.value && curr.text!=null && String.valueOf(curr.text).equals(String.valueOf(q.text))){
            System.out.println("插入的值已经存在");
            return;
        }
        //下面执行插入步骤，这个和双链表是一样的步骤
        q.right = curr.right;
        q.left = curr;
        curr.right.left = q;
        curr.right = q;
        int i = 0;   //表示当前节点所在的层数，开始插入的是在下面插入的，所以开始的时候是在0层
        //这里判断是否需要增加高度，每一层相对域下面来说都有二分之一的概率，也就是说每一层增加的概率是（1/2）^n
        //通俗的说就是每一层的节点是将会保证是下面一层的1/2
        while (random.nextDouble() < 0.5) {
            if (i >= level) {   //如果当前插入的节点所处的层数大于等于最大的层数，那么就需要增加高度了，因为这里要保证头尾节点的高度是最高的
                //下面的代码就是在头尾节点的上插入新的节点，以此来增加高度
                Node p1 = new Node(null);
                Node p2 = new Node(null);
                p1.right = p2;
                p1.down = head;
                p2.left = p1;
                p2.down = tail;
                head.up = p1;    //将头尾节点上移，成为最顶层的节点，这就是为什么每次插入和查询的时候都是最上面开始查询的，因为这里的head默认的就是从最上面开始的
                tail.up = p2;
                head = p1;
                tail = p2;
                level++;    //最高层数加一
            }
            while (curr.up == null) {    //当然增加高度就是在插入节点上面新插入一个节点，然后将之与插入的节点相连
                //既然这里新插入节点增高了，那么就需要找到与新插入节点上面的那个节点相连接，这里我们将新插入节点的前面的同等高度的节点与之相连
                curr = curr.left;
            }
            curr = curr.up;    //通过前面的一个节点找到与之相连的节点
            //下面就是创建一个节点插入到插入节点的头上以此来增加高度，并且这个节点与前面一样高的节点相连
            Node e = new Node(value);
            e.left = curr;   //设置的顺序按照新节点先设置,老节点后设置的顺序来
            e.right = curr.right;
            curr.right.left = e;    //此时的curr就是与之同等高度的节点
            curr.right = e;
            e.down = q;
            q.up = e;
            q = e;   //将新插入的节点上移到最上面，因为后面可能还要在这里增加高度，就是在最上面插入新的一模一样的节点
            i++;   //增加当前所处的高度，这里一定能要记得写上，如果还要继续增加的话，需要判读是否需要增加头尾节的高度
        }
        size++;   //节点加一
    }
    //下面是打印每一层节点的情况
    //head 最后都会停留在最高一层,一层一层往下跳
    public void display() {
        while (level >= 0) {
            Node p = head;
            while (p != null) {
                System.out.print(p.value + "-------->");
                p = p.right;
            }
            System.out.println();
            System.out.println("*****************************");
            level--; //开始跳
            head = head.down; //head 指向下层的链表
        }
    }
    /*在链表中查找某个值是否存在，如果存在找到的节点，当然先从最高层开始查找，如果找到了在比这个值小的最后一个值，那么就顺着这个值的下面开始寻找，按照上面的步骤
    再次寻找，如过这个值正好等于要找的值，就返回true，形象的来说就是形成一个梯度的感觉。注意这里返回的节点一定是最底层的节点，利于下面的删除操作
    * */
    public Node search(int value) {
        Node p = head;
        while (true) {
            /*这里一定要写成p.right.value!=null,如果写成p.right!=null运行可能有错误，
            因为这里的尾节点的值为null，但是它的节点不是空的，如果成这样的话,那么节点可能会找到尾节点都没有找到，此时在判断value的值就出现错误
            相当与判断tail.right.value<=value,这个肯定是不行的，因为这个节点不存在，是空的更别说值了
            */
            //从最高层开始判断找到比这个小的最后一个值，就是找到一个节点的前面比value小的，后面的节点的值比value大的
            while (p.right.value != null && p.right.value <= value) {
                p = p.right;    //如果没有找到就后移直到找到这个节点
            }
            //如果找到的这个节点不是最底层的话，就向下移动一层，然后循环再次寻找，总之就是从最高层开始，一层一层的寻找
            if (p.down != null) {   //这个表示上面的循环没有找到的相等的，那么就向下移动一层,而且不管是在最高层就搜到了这个,我还是要跳到最底层
                p = p.down;
            } else {    //如果到了最底层了，这里的值仍然没有找到这个值，那么就表示不存在这个值
                if (p.value == value) {   //判断是否存在value相等的值
                    return p;    //返回节点
                }
                return null;    //仍然没有找到返回null
            }
        }
    }
    //打印最底层的元素
    public void dumpAll(){
        Node newNode= head;
        while (newNode.down!=null){ //跳到最底层去
            newNode=newNode.down;   //指针偏移
        }
        while (newNode.right.value!=null){
            System.out.println(newNode.right.value+" ---> "+newNode.right.text);
            newNode=newNode.right; //指针偏移
        }
    }
    //打印最底层的元素
    public void dumpAllDesc(){
        Node newNode= tail;
        while (newNode.down!=null){ //跳到最底层去
            newNode=newNode.down;   //指针偏移
        }
        while (newNode.left.value!=null){
            System.out.println(newNode.left.value+" ---> "+newNode.left.text);
            newNode=newNode.left; //指针偏移
        }
    }
    /*
    这里是利用上面的查找函数，找到当前需要删除的节点，当然这个节点是最底层的节点，然后循环从最底层开始删除所有的节点
    * */
    public void delete(int value) {
        Node temp = search(value);   //这里返回的必须是最底层的节点，因为要从最下面的往上面全部删除所有层的节点，否则的话可能在某一层上仍然存在这个节点
        while (temp != null) {
            temp.left.right = temp.right;
            temp.right.left = temp.left;
            temp = temp.up;   //节点上移，继续删除上一层的节点
        }
    }
    public static void main(String args[]) {
        SkipList skipList = new SkipList();
        Random random = new Random();
        skipList.insert(33,"小明");
        skipList.insert(33,"小明");
        skipList.insert(44,"小亮");
        skipList.insert(44,"小亮");
        skipList.insert(11,"小贾");
        for (int i = 0; i < 500; i++) {
            int value = (int) (random.nextDouble() * 1000);
            skipList.insert(value, UUID.randomUUID().toString());
            System.out.println(value);
        }
        Node p = skipList.search(22);
//        skipList.delete(44);
        if (p != null) {
            System.out.println(p.value);
        } else
            System.out.println("没有找到");
        skipList.display();
    }
}

 

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