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ConcurrentSkipListMap以及跳表的原理

2021-12-30 09:53:58 其他

ConcurrentSkipListMap

底層實作是”跳躍表“ ,Redis當中Zset同樣采用的是該資料結構

跳躍表的結構圖:

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-9xzCLDbJ-1640785263458)(JUC并發編程.assets/image-20211229180148601.png)]

特點:

  • 其根本思想是 二分查找 的思想,
  • 跳表的前提條件是 針對 有序的單鏈表 ,實作高效地查找,插入,洗掉,
  • Redis中的 有序集合 sorted set 就是用跳表實作的,

1、跳表的原理

種基于單鏈表的高級資料結構, 跳表 將單鏈表先進行排序,然后針對 有序鏈表 為了實作高效的查找,可以使用跳表這種資料結構,

對于單鏈表,即使是 存盤的有序資料(即 有序鏈表),想在其中查找某個資料,也只能從頭到尾遍歷,查找效率低,時間復雜度是O(n),如下圖所示:

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-i2DomITg-1640785263460)(JUC并發編程.assets/image-20211229212652406.png)]

怎么才能提高查找效率呢?

為了提高查找效率,使用二分查找的思想,對有序鏈表建立一級“索引”, 每兩個節點提取一個節點到索引層, 索引層中的每個節點 都包

含兩個指標,一個指向下一個節點一個down指標,指向下一級節點

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-W3ngZkja-1640785263461)(JUC并發編程.assets/image-20211229212725503.png)]

首先在一級索引層遍歷,當遍歷到14這個節點的時候,發現其下一個節點是23,則要查找的18就在14和23之間, 然后,通過14節點的

down 指標,下降到原始鏈表這一層,繼續在原始鏈表中遍歷, 此時,只需要在原始鏈表中,遍歷兩個節點,14和18,就找到18這個節點

了, 查找18這個節點,在原始鏈表需要遍歷10個節點,現在只需要遍歷7個節點(一級索引層遍歷5個節點,原始鏈表遍歷2個節點),

如果再增加一級索引,那么效率會不會更高呢?

建立二級索引

[外鏈圖片轉存失敗,源站可能有防盜鏈機制,建議將圖片保存下來直接上傳(img-9h5nXN3c-1640785263462)(JUC并發編程.assets/image-20211229212926138.png)]

現在如果要查找18節點,只需要遍歷6個節點(二級索引層遍歷3個節點,一級索引層1個節點,原始鏈表2個節點),

通過建立索引的方式,對于資料量越大的有序鏈表,通過建立多級索引,查找效率提升會非常明顯,

這種鏈表加多級索引的結構 就是 跳表

2、跳表中查詢一個節點

通過Key去查詢,從Head節點開始進入,由最高層索引開始查詢,主鍵向下層索引縮小范圍,知道找到我們BaseHeader這一層后會將Node節點進行逐個equals比較

3、跳表中插入一個節點

跳表作為一個動態資料結構,不僅支持查找操作,還支持資料的插入和洗掉操作,并且 插入和洗掉的操作的時間復雜度都是O(logn).

我們先去查詢我們這個節點在我們的調表中是否存在,也就是通過key執行上述的查詢的程序,如果發現節點存在,那么就會覆寫我們的已存在的節點,如果不存在則新建一個Node節點進行插入操作,但是我們插入之后就會出現一個新的問題,就是我們的節點變了那么對應的索引也應該做相應的修改,那么為新插入的Node節點創建的索引步驟如下 :

1、首先是生成一個亂數

int rnd = ThreadLocalRandom.nextSecondarySeed();

2、然后通過讓我們的亂數與0x80000001進行一個&操作,去判斷是否滿足建立索引的條件

  if ((rnd & 0x80000001) == 0)  //  0x80000001這個16進制轉換為2進制則是 10000000 00000000 00000000 00000001
 							   	//  rnd這個亂數,最高位和最低為同時為0的時候條件成立,概率是1/4   

3、當滿足建立索引的條件后,我們還需要通過對這個亂數進行計算得出我們建立的索引層數level

//首先rnd滿足索引建立條件初始為1,之后檢查從第二位到第31位間1的個數,相加即為索引層數
rnd = 00000000 00000000 00000000 00011110  ===> 得出level為4 + 1 = 5 ; 
rnd = 00000000 00000000 00010100 01011110  ===> 得出level為8 + 1 = 9

4、我們講理論上應該建立的索引層數再次進行判斷,得到我們的實索引際高度!

//拿到步驟3得出的理論索引層數,與我們當前調表中的索引層數比較,例:上圖跳表的層數是3,我們為新插入的節點建立索引的理論高度是9,那么我們就會得出我們實際的索引高度是3 + 1 = 4 ; 也就是超過實際索引高度,我們為新插入節點建立的索引高度就是我們實際的高度 + 1

5、創建層次索引,完結!

4、調表洗掉節點

洗掉原鏈表中的節點,如果節點存在于索引中,也要洗掉索引中的節點, 因為單鏈表中的洗掉需要用到 要洗掉節點前驅動節點, 可以像插入操作一樣,通過索引逐層向下遍歷到原始鏈表中,要洗掉的節點,并記錄其 前驅節點,從而實作洗掉操作,

5、面試題

為什么Redis中的有序集合用跳表而非紅黑樹來實作呢?

  • 對于插入,洗掉,查找 以及 輸出有序序列 這幾個操作,紅黑樹也可以完成,時間復雜度 與 用跳表實作是相同的, 但是,對于按照區間查找資料這個操作(比如 [20,300]),紅黑樹的效率沒有跳表高,跳表可以做到 O(logn)的時間復雜度定位區間的起點,然后在原始鏈表中順序向后遍歷輸出,直到遇到值大于區間終點的節點為止,
  • 跳表更加靈活,它可以通過改變節點的抽取間隔,靈活地平衡空間復雜度和時間復雜度
  • 相比紅黑樹,跳表更容易實作,代碼更簡單

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