算法笔记-跳表

跳表是一种动态数据结构,可以支持快速的插入、删除、查找操作,写起来也不复杂,甚至可以替代红黑树(Red-black tree)。Redis 中的有序集合(Sorted Set)就是用跳表来实现的。

链表加多级索引的结构,就是跳表。

在一个单链表中查询某个数据的时间复杂度是 O(n)。那在一个具有多级索引的跳表中查询任意数据的时间复杂度是 O(logn)。这

个查找的时间复杂度跟二分查找是一样的。换句话说,我们其实是基于单链表实现了二分查找。(这种查询效率的提升,前提是建立了很多级索引,也就是空间换时间的设计思路。)

跳表的空间复杂度是O(n)。也就是说,如果将包含 n 个结点的单链表构造成跳表,我们需要额外再用接近 n 个结点的存储空间。

在实际的软件开发中,原始链表中存储的有可能是很大的对象,而索引结点只需要存储关键值和几个指针,并不需要存储对象,所以当对象比索引结点大很多时,那索引占用的额外空间就可以忽略了。

跳表这个动态数据结构,不仅支持查找操作,还支持动态的插入、删除操作,而且插入、删除操作的时间复杂度也是 O(logn)。

作为一种动态数据结构,我们需要某种手段来维护索引与原始链表大小之间的平衡,也就是说,如果链表中结点多了,索引结点就相应地增加一些,避免复杂度退化,以及查找、插入、删除操作性能下降。

跳表是通过随机函数来维护“平衡性”,当我们往跳表中插入数据的时候,我们可以选择同时将这个数据插入到部分索引层中。

为什么 Redis 要用跳表来实现有序集合,而不是红黑树?

Redis 中的有序集合支持的核心操作主要有下面这几个:

  • 插入一个数据;

  • 删除一个数据;

  • 查找一个数据;

  • 按照区间查找数据(比如查找值在 [100, 356] 之间的数据);

  • 迭代输出有序序列。

对于按照区间查找数据这个操作,跳表可以做到 O(logn) 的时间复杂度定位区间的起点,然后在原始链表中顺序往后遍历就可以了。这样做非常高效。

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