Redis的ZSet对象底层原理—

Redis的ZSet对象底层原理——跳表

我们来聊聊「跳表（Skip List）」，这是一个既经典又优雅的数据结构，尤其在 Redis 中非常重要，比如 ZSet（有序集合）底层就用到了跳表。

🌟 跳表（Skip List）简介

跳表是一种有序链表的升级版，通过引入多级“索引层”来加快查找效率。

✅ 主要特点：

特性	说明
有序结构	跳表维护的是一个按 key 排序的链表
多级索引	类似高速公路入口，有“快捷路径”
查找时间复杂度	O(log n)，跟平衡树差不多
实现简单	不像红黑树那样复杂
支持范围查找	很适合 Redis 中的范围查询场景

📐 跳表结构长啥样？

假设我们有以下数据：[1, 3, 5, 7, 9]

我们构建跳表的过程如下（用 → 表示链表）：

Level 2:      1  →         →       → 9
Level 1:      1  →    5    →       → 9
Level 0:      1  → 3 → 5 → 7 → 9

你可以把它想象成“高架桥+地面道路”的组合：

第 0 层是原始链表，所有节点都在这里
每上一层都是稀疏的抽样索引，跳过一些中间节点，加快查找速度
查找从最上层开始，逐层向下，“跳跃式前进”

🔍 查找过程举例：查找 7

从最上层的 1 开始 → 跳到 9（9 > 7，不行）
回退到下一层 → 1 → 5 → 9（9 > 7，继续往下）
到最底层 → 5 → 7 ✅ 找到！

→ 相比普通链表要顺着一格一格走，跳表“跳着走”，很快！

📈 跳表的时间复杂度

操作	时间复杂度
查找	O(log n)
插入	O(log n)
删除	O(log n)
空间复杂度	O(n)

相比红黑树、AVL 树，它的代码实现更简单、更易于维护。

💡 跳表的应用场景

场景	用途
Redis ZSet	支持快速插入、范围查询（如 zrangebyscore）
LSM-Tree（如 RocksDB）	早期实现用过跳表
时间序列数据	有序插入、范围检索
分布式系统	一致性哈希环也可用跳表改进检索速度

🔧 跳表 vs 红黑树

项目	跳表	红黑树
插入复杂度	O(log n)	O(log n)，但旋转逻辑复杂
实现难度	简单	复杂（需维持平衡）
查询性能	相似	相似
空间开销	稍高（多指针）	较少

🧪 小技巧：跳表的层数怎么选？

跳表是随机化结构，每次插入一个节点时，以一定概率（如 1/2）决定它是否晋升到上一层。

最常见的方式是：

while (random() < p && level < MAX_LEVEL) {level++;
}

所以跳表是一种「概率平衡」的数据结构。

📦 总结

优点	缺点
实现简单、性能稳定	占用内存较多
支持快速范围查找	查询时间有轻微波动
非常适合缓存、有序集合	不如 B 树适合磁盘存储

在 Redis 中，跳表（Skip List） 主要用于 Sorted Set（有序集合，zset） 的底层实现。

✅ 使用跳表的场景：`zset`（有序集合）

Redis 的 zset 类型是一个既可以快速查找元素、又能按照分数排序的数据结构。为了实现这个特性，它使用了 两种结构 来共同实现：

结构	作用
哈希表（dict）	用于通过成员名快速定位其分数，O(1) 时间复杂度
跳表（skiplist）	用于按照分数进行有序排列，支持范围查找、按排名查找等，平均 O(log n) 复杂度

🧠 为什么 Redis 用跳表而不是红黑树？

虽然红黑树、AVL 树等自平衡二叉树也能满足排序要求，但 Redis 选择跳表是因为：

实现简单、易于维护
插入和删除操作更平滑，少量随机性避免最坏情况
天然支持范围查询和按 rank 查找
跳表是线性结构，遍历更快，利于内存预取（cache friendly）

🧪 举个例子：

127.0.0.1:6379> ZADD myzset 1 a 2 b 3 c
127.0.0.1:6379> ZRANGE myzset 0 -1 WITHSCORES
1) "a"
2) "1"
3) "b"
4) "2"
5) "c"
6) "3"

在内部：

Redis 用 dict 维护 a → 1，b → 2，c → 3
同时用跳表按分数 1 → 2 → 3 排列节点，方便范围查询，比如 ZRANGEBYSCORE

🔧 Redis 跳表结构核心代码（在源码中）

源码路径：/src/t_zset.c
关键结构：zskiplist、zskiplistNode

typedef struct zskiplistNode {robj *obj;         // 成员对象double score;      // 分数struct zskiplistNode *backward;struct zskiplistLevel {struct zskiplistNode *forward;unsigned int span;} level[];
} zskiplistNode;