redis之zset解析

zset是Redis提供的一个非常特别的数据结构，常用作排行榜等功能，以用户id为value，关注时间或者分数作为score进行排序。与其他数据结构相似，zset也有两种不同的实现，分别是zipList和skipList。zipList前面我们已经介绍过了，这里就不再介绍了。具体使用哪种结构进行存储，规则如下：

zipList：满足以下两个条件
- [score,value]键值对数量少于128个；
- 每个元素的长度小于64字节；
skipList：不满足以上两个条件时使用跳表、组合了hash和skipList
- hash用来存储value到score的映射，这样就可以在O(1)时间内找到value对应的分数；
- skipList按照从小到大的顺序存储分数
- skipList每个元素的值都是[socre,value]对

使用zipList的示意图如下所示：

使用跳表时的示意图：

1|0 跳表 skipList

跳表skipList在Redis中的运用场景只有一个，那就是作为有序列表zset的底层实现。跳表可以保证增、删、查等操作时的时间复杂度为O(logN)，这个性能可以与平衡树相媲美，但实现方式上却更加简单，唯一美中不足的就是跳表占用的空间比较大，其实就是一种空间换时间的思想。跳表的结构如下所示：

Redis中跳表一个节点最高可以达到64层，一个跳表中最多可以存储2^64个元素。跳表中，每个节点都是一个skiplistNode，

每个跳表的节点也都会维护着一个score值，这个值在跳表中是按照从小到大的顺序排列好的。

跳表的结构定义如下所示：

typedf struct zskiplist{ 
     //头节点 
     struct zskiplistNode *header; 
     //尾节点 
     struct zskiplistNode *tail;
     // 跳表中元素个数 
     unsigned long length;
    //目前表内节点的最大层数 int level; 
}zskiplist;

header：指向跳表的头节点，通过这个指针可以直接找到表头，时间复杂度为O(1)；

tail：指向跳表的尾节点，通过这个指针可以直接找到表尾，时间复杂度为o(1)；

length：记录跳表的长度，即不包括头节点，整个跳表中有多少个元素；

level：记录当前跳表内，所有节点中层数最大的level；

zskiplist的示意图如下所示：

zskiplistNode的结构定义如下：

typedf struct zskiplistNode{
     sds ele;
    // 具体的数据 
        double score;
       // 分数 
       struct zskiplistNode *backward;
       //后退指针
        struct zskiplistLevel{ 
             struct zskiplistNode *forward;
             //前进指针forward 
             unsigned int span;
             //跨度
             span
        }level[];
        //层级数组 最大32 
}zskiplistNode;

ele：真正的数据，每个节点的数据都是唯一的，但节点的分数score可以是一样的。两个相同分数score的节点是按照元素的字典序进行排列的；

score：各个节点中的数字是节点所保存的分数score，在跳表中，节点按照各自所保存的分数从小到大排列；

backward：用于从表尾向表头遍历，每个节点只有一个后退指针，即每次只能后退一步；

层级数组：这个数组中的每个节点都有两个属性，forward指向下一个节点，span跨度用来计算当前节点在跳表中的一个排名，这就为zset提供了一个查看排名的方法。数组中的每个节点中用1、2、3等字样标记节点的各个层，L1代表第一层，L2代表第二层，L3代表第三层；，以此类推；

skiplistNode的示意图如下所示：

2|0 增删改查

以下图为例，讲解一下skiplist的增删改查过程。

2|1 查

假设现在要查找7这个节点，步骤如下：

从head开始遍历，指针指向4这个节点，由于4<7，且同层的下一个指针指向NULL，所以下级一层；
跳到6节点所在的层，同理，6<7，且同层的下一个指针指向NULL，再下降一层；
此时到了第一层，第一层是一个双向链表，由于6<7，所以开始向后遍历，查找到7就返回，不然就返回NULL；

2|2 删

删除的过程前期与查找相似，先定位到元素所在的位置，再进行删除，最后更新一下指针、更新一下最高的层数。

2|3 改

先是判断这个 value 是否存在，如果存在就是更新的过程，如果不存在就是插入过程。在更新的过程是，如果找到了Value，先删除掉，再新增，这样的弊端是会做两次的搜索，在性能上来讲就比较慢了，在 Redis 5.0 版本中，Redis 的作者 Antirez 优化了这个更新的过程，目前的更新过程是如果判断这个 value是否存在，如果存在的话就直接更新，然后再调整整个跳跃表的 score 排序，这样就不需要两次的搜索过程。

2|4 增

比如要插入的值为 6

从 head 节点开始，先是在 head 开始降层来查找到最后一个比 6 小的节点；
等到查到最后一个比 6 小的节点的时候(假设为 5 )；
然后需要引入一个随机层数算法来为这个节点随机地建立层数；
把这个节点插入进去以后，同时更新一遍最高的层数即可；

2|5 随机层数算法

int zslRandomLevel(void) { 
    int level = 1; 
    while ((random()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF)) level += 1; 
    return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
 }

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32 
#define ZSKIPLIST_P 0.25