Redis有序集内部实现原理分析(二)

Redis:https://github.com/zwjlpeng/Redis_Deep_Read

本篇博文紧随上篇Redis有序集内部实现原理分析，在这篇博文里凡出现源码的地方均以下述src/version.h中定义的Redis版本为主

#define REDIS_VERSION "2.9.11"

在上篇博文Redis有序集内部实现原理分析中，我分析了Redis从什么时候开始支持有序集、跳表的原理、跳表的结构、跳表的查找/插入/删除的实现,理解了跳表的基本结构，理解Redis中有序集的实现就不难了，因为Redis有序集的实现也是以跳表作为基础的底层数据结构，选择这种数据结构，不仅仅是因为简单，更多的是因为性能。

Redis中跳表的基本数据结构定义如下，与基本跳表数据结构相比，在Redis中实现的跳表其特点是不仅有前向指针，也存在后向指针，而且在前向指针的结构中存在span跨度字段，这个跨度字段的出现有助于快速计算元素在整个集合中的排名

//定义跳表的基本数据节点
typedef struct zskiplistNode {
    robj *obj; // zset value
    double score;// zset score
    struct zskiplistNode *backward;//后向指针
    struct zskiplistLevel {//前向指针
        struct zskiplistNode *forward;
        unsigned int span;
    } level[];
} zskiplistNode;

typedef struct zskiplist {
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

//有序集数据结构
typedef struct zset {
    dict *dict;//字典存放value,以value为key
    zskiplist *zsl;
} zset;

将如上数据结构转化成更形式化的图形表示，如下图所示

在上图中，可以看到header指针指向的是一个具有固定层级(32层)的表头节点,为什么定义成32,是因为定义成32层理论上对于2^32-1个元素的查询最优，而2^32=4294967296个元素，对于绝大多数的应用来说，已经足够了，所以就定义成了32层,到于为什么查询最优，你可以将其想像成一个32层的完全二叉排序树，算算这个树中节点的数量

Redis中有序集另一个值得注意的地方就是当Score相同的时候，是如何存储的，当集合中两个值的Score相同，这时在跳表中存储会比较这两个值，对这两个值按字典排序存储在跳表结构中

有了上述的数据结构相关的基础知识，来看看Redis对zskiplist/zskiplistNode的相关操作,源码如下所示(源码均出自t_zset.c)

创建跳表结构的源码

//#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32 /* Should be enough for 2^32 elements */
zskiplist *zslCreate(void) {
    int j;
    zskiplist *zsl;
    //分配内存
    zsl = zmalloc(sizeof(*zsl));
    zsl->level = 1;//默认层级为1
    zsl->length = 0;//跳表长度设置为0
    zsl->header = zslCreateNode(ZSKIPLIST_MAXLEVEL,0,NULL);
    for (j = 0; j < ZSKIPLIST_MAXLEVEL; j++) {
        //因为没有任何元素，将表头节点的前向指针均设置为0
        zsl->header->level[j].forward = NULL;
        //将表头节点前向指针结构中的跨度字段均设为0
        zsl->header->level[j].span = 0;
    }
    //表头后向指针设置成0
    zsl->header->backward = NULL;
    //表尾节点设置成NULL
    zsl->tail = NULL;
    return zsl;
}

在上述代码中调用了zslCreateNode这个函数,函数的源码如下所示=

zskiplistNode *zslCreateNode(int level, double score, robj *obj) {
    zskiplistNode *zn = zmalloc(sizeof(*zn)+level*sizeof(struct zskiplistLevel));
    zn->score = score;
    zn->obj = obj;
    return zn;
}

执行完上述代码之后会创建如下图所示的跳表结构

创建了跳表的基本结构，下面就是插入操作了，Redis中源码如下所示

zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, robj *obj) {
    zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x; //update[32]
    unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];//rank[32]
    int i, level;
    redisAssert(!isnan(score));
    x = zsl->header;
    //寻找元素插入的位置
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
        /* store rank that is crossed to reach the insert position */
        rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];
        while (x->level[i].forward &&
            (x->level[i].forward->score < score || //以下是得分相同的情况下，比较value的字典排序
                (x->level[i].forward->score == score &&compareStringObjects(x->level[i].forward->obj,obj) < 0))) {
            rank[i] += x->level[i].span;
            x = x->level[i].forward;
        }
        update[i] = x;
    }
    //产生随机层数
    level = zslRandomLevel();
    if (level > zsl->level) {
        for (i = zsl->level; i < level; i++) {
            rank[i] = 0;
            update[i] = zsl->header;
            update[i]->level[i].span = zsl->length;
        }
        //记录最大层数
        zsl->level = level;
    }
    //产生跳表节点
    x = zslCreateNode(level,score,obj);
    for (i = 0; i < level; i++) {
        x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
        update[i]->level[i].forward = x;
        //更新跨度
        x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
        update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;
    }
    //此种情况只会出现在随机出来的层数小于最大层数时
    for (i = level; i < zsl->level; i++) {
        update[i]->level[i].span++;
    }
    x->backward = (update[0] == zsl->header) ? NULL : update[0];
    if (x->level[0].forward)
        x->level[0].forward->backward = x;
    else
        zsl->tail = x;
    zsl->length++;
    return x;
}

上述源码中，有一个产生随机层数的函数，源代码如下所示:

int zslRandomLevel(void) {
    int level = 1;
    //#define ZSKIPLIST_P 0.25
    while ((random()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))
        level += 1;
    //#ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32
    return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}

图形化的形式描述如下图所示:

理解了插入操作，其他查询，删除，求范围操作基本上类似，此处忽略...