本来跳表的原理是很简单的（相对于红黑树），但是国庆节断断续续搞了5天才把它写完……
写之前我了解到的跳表都是纯粹基于链式结构的，写的过程中看了一下redis的实现，发现它的每一个键列都是用数组来表示的。仔细想了想发现这种实现除了跳表的最大层数会被固定（因为是用的数组）之外，在性能、代码简洁性方面都是非常好的。而且实际使用中，可能也并不希望跳表的层数毫无限制地增长。
不过最后我自己的实现还是按照纯粹链式结构实现，因为数组的方式redis已经实现过了。
关于跳表原理网上很多，这里不再赘述，代码疏漏之处恳请指出。上一张图表示我代码中的跳表逻辑结构：
跳表API定义——skip_list.h
#ifndef SKIP_LIST_H_INCLUDED #define SKIP_LIST_H_INCLUDED typedef struct skip_list_s *skip_list_t; /** * @return 新建的的空跳表实例 */ skip_list_t skip_list_create(); /** * 销毁跳表实例，不会销毁跳表中包含的值。 */ void skip_list_destroy(skip_list_t sl); /** * 查询跳表中key对应的值。 * 返回NULL不代表跳表中一定不包含key，以skip_list_contains(sl, key)结果为准。 * @param key 要查询的键，允许key在跳表中不存在。 * @return 跳表中key对应的值 */ void* skip_list_get(skip_list_t sl, int key); /** * 向跳表中添加一个键值对，这将使得skip_list_contains(sl, key)==1。 * 如果跳表中已经存在相同的键，则替换其旧值，否则创建一个新的键值对。 * @param value key对应的新的值，允许为NULL。 * @return 跳表中key原来对应的值 */ void* skip_list_put(skip_list_t sl, int key, void *value); /** * 从跳表中删除一个键值对，这将使得skip_list_contains(sl, key)==0。 * @param key 要删除的键，允许key在跳表中不存在。 * @return 跳表中key对应的值 */ void* skip_list_remove(skip_list_t sl, int key); /** * @return 跳表中存在key则1，否则0 */ int skip_list_contains(skip_list_t sl, int key); /** * @return 跳表中键的数量 */ int skip_list_count(skip_list_t sl); /** * 检索跳表中键的集合，结果按照键升序排列 * @param [out] keys 用于存储键集合 * @param [int] length keys数组的长度 * @return 键的数量（=MIN(length, 跳表中所有键的数量)） */ int skip_list_key_set(skip_list_t sl, int keys[], int length); /** * 检索跳表中值的集合，结果按照键升序排列 * @param [out] values 用于存储值集合 * @param [int] length values数组的长度 * @return 值的数量（=MIN(length, 跳表中所有键的数量)） */ int skip_list_value_set(skip_list_t sl, void *values[], int length); #endif // SKIP_LIST_H_INCLUDED
跳表API测试——main.c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include "skip_list.h"
#define COUNT 10
int main() {
skip_list_t sl;
int i, tmp, *keys;
keys = (int*)malloc(COUNT*sizeof(int));
srand(time(NULL));
sl = skip_list_create();
for(i=0; i<COUNT; i++) {
keys[i] = rand();
tmp = rand();
printf("put %5d : %5d, return %5d", keys[i], tmp, (int)skip_list_put(sl, keys[i], (void*)tmp));
printf(", count=%d\n", skip_list_count(sl));
}
puts("*****************************************");
for(i=0; i<COUNT; i++) {
printf("put %5d : %5d, return %d\n", keys[i], keys[i], (int)skip_list_put(sl, keys[i], (void*)keys[i]));
}
puts("*****************************************");
skip_list_key_set(sl, keys, COUNT);
printf("key set : ");
for(i=0; i<COUNT-1; i++) {
printf("%d, ", keys[i]);
}
printf("%d\n", keys[COUNT-1]);
puts("*****************************************");
for(i=0; i<COUNT; i++) {
printf("get %5d, return %d\n", keys[i], (int)skip_list_get(sl, keys[i]));
}
puts("*****************************************");
for(i=0; i<COUNT; i++) {
printf("constains %5d, return %d\n", keys[i], skip_list_contains(sl, keys[i]));
}
puts("*****************************************");
for(i=0; i<COUNT; i++) {
printf("remove %5d, return %5d", keys[i], (int)skip_list_remove(sl, keys[i]));
printf(", count=%d\n", skip_list_count(sl));
}
puts("*****************************************");
for(i=0; i<COUNT; i++) {
printf("constains %5d, %d\n", keys[i], skip_list_contains(sl, keys[i]));
}
skip_list_destroy(sl);
free(keys);
return 0;
}
跳表API实现——skip_list.c
#include "skip_list.h"
#include <stdlib.h>
typedef struct data_s *data_t;
typedef struct node_s *node_t;
//表示节点中存储的键值对
struct data_s {
int key;
void *value;
};
//表示跳表中的节点
struct node_s {
node_t right;
node_t down;
data_t data; //注意同一列的所有节点都指向同一个data
};
//按照二叉查找树的概率分布随机生成一个节点高度
static inline int
rand_level() {
int level = 1;
while(rand()&1) {
level++;
}
return level;
}
//从node右边开始逐层向下查找key对应的键值对
//在某一层找到以后立即返回，以提高查找速度
//node不能为NULL
static inline data_t
search_data(node_t node, int key) {
for(; node; node = node->down) {
for(; node->right && key > node->right->data->key; node = node->right);
//此时node->data->key < key <= node->right->data->key
if(node->right && key == node->right->data->key) {
return node->right->data;
}
}
return NULL;
}
//从node右边开始逐层向下查找key对应的键值对，并将垂直路径记录在upadte数组中
//必须走到最底层以后才返回，以便记录完整的update路径
//node和update不能为NULL
static inline data_t
search_data_update(node_t node, int key, node_t *update) {
for(;; node = node->down) {
for(; node->right && key > node->right->data->key; node = node->right);
//node->data->key < key <= node->right->data->key
//保证当前node一定在目标key的左边，以便remove时更新
*update++ = node;
if(!node->down) {
break;
}
}
if(node->right && key == node->right->data->key) {
return node->right->data;
}
return NULL;
}
//在跳表最顶层上面增加一些空层
//top_left不能为NULL，性能可以改进
static inline int
gain_empty_top_lines(node_t top_left, int count) {
int i;
for(i = 0; i < count; i++) {
node_t tmp;
tmp = (node_t)malloc(sizeof(struct node_s));
tmp->right = top_left->right;
tmp->down = top_left->down;
top_left->right = NULL;
top_left->down = tmp;
}
return i;
}
//清除跳表最顶层的几个空层
//top_left不能为NULL，性能可以改进
static inline int
clean_empty_top_lines(node_t top_left) {
int count;
for(count = 0; !top_left->right; count++) {
node_t tmp = top_left->down;
if(!tmp) {
break;
}
top_left->right = tmp->right;
top_left->down = tmp->down;
free(tmp);
}
return count;
}
//在跳表中为新的键值对增加一列位置
//data和update不能为NULL
static inline void
add_key_column(data_t data, node_t *update, int length) {
int i;
for(i=0; i<length; i++) {
node_t tmp;
tmp = (node_t)malloc(sizeof(struct node_s));
tmp->data = data;
tmp->right = update[i]->right;
update[i]->right = tmp;
}
for(i=0; i<length-1; i++) {
update[i]->right->down = update[i+1]->right;
}
update[length-1]->right->down = NULL;
}
//在跳表中删除key所在的列
//update不能为NULL
static inline void
remove_key_column(int key, node_t *update, int length) {
int i;
for(i = 0; i < length; i++) {
node_t right = update[i]->right;
if(right && right->data->key == key) {
update[i]->right = right->right;
free(right);
}
}
}
//释放节点并返回它的下一个（右边或下边）节点
static inline node_t
free_and_next(node_t node, node_t next) {
free(node);
return next;
}
struct skip_list_s {
struct node_s top_left; //跳表左上角的节点
int level; //跳表层数
int count; //跳表中键值对的数量
};
skip_list_t
skip_list_create() {
skip_list_t sl;
sl = (skip_list_t)malloc(sizeof(struct skip_list_s));
sl->top_left.right = NULL;
sl->top_left.down = NULL;
sl->level = 1;
sl->count = 0;
return sl;
}
void
skip_list_destroy(skip_list_t sl) {
node_t left, node;
for(left = &sl->top_left; left->down; left = left->down) {
for(node = left->right; node; node = free_and_next(node, node->right));
}
for(node = left->right; node; node = free_and_next(node, node->right));
for(left = sl->top_left.down; left; left = free_and_next(left, left->down));
free(sl);
}
void*
skip_list_get(skip_list_t sl, int key) {
data_t data;
data = search_data(&sl->top_left, key);
if(data) {
return data->value;
}
return NULL;
}
void*
skip_list_put(skip_list_t sl, int key, void *value) {
void *old_value = NULL;
data_t data;
data = search_data(&sl->top_left, key);
if(data) {
old_value = data->value;
data->value = value;
} else {
node_t *update;
int target_level;
target_level = rand_level();
if(target_level > sl->level) {
sl->level += gain_empty_top_lines(&sl->top_left, target_level-sl->level);
}
update = (node_t*)malloc(sizeof(node_t)*sl->level);
search_data_update(&sl->top_left, key, update);
data = (data_t)malloc(sizeof(struct data_s));
data->key = key;
data->value = value;
//target_level<=sl->level
add_key_column(data, update+(sl->level-target_level), target_level);
free(update);
sl->count++;
}
return old_value;
}
void*
skip_list_remove(skip_list_t sl, int key) {
void *old_value = NULL;
node_t *update;
data_t data;
update = (node_t*)malloc(sizeof(node_t)*sl->level);
data = search_data_update(&sl->top_left, key, update);
if(data) {
//删除key所在列
remove_key_column(key, update, sl->level);
//清除掉删除key所在列以后上面出现的空行
sl->level -= clean_empty_top_lines(&sl->top_left);
old_value = data->value;
free(data);
sl->count--;
}
free(update);
return old_value;
}
int
skip_list_contains(skip_list_t sl, int key) {
return !!search_data(&sl->top_left, key);
}
int
skip_list_count(skip_list_t sl) {
return sl->count;
}
int
skip_list_key_set(skip_list_t sl, int keys[], int length) {
int i;
node_t left, node;
for(left = &sl->top_left; left->down; left = left->down);
for(i = 0, node = left->right; i<length && node; i++, node = node->right) {
keys[i] = node->data->key;
}
return i;
}
int
skip_list_value_set(skip_list_t sl, void *values[], int length) {
int i;
node_t left, node;
for(left = &sl->top_left; left->down; left = left->down);
for(i = 0, node = left->right; i<length && node; i++, node = node->right) {
values[i] = node->data->value;
}
return i;
}
时间： 2024-10-18 01:11:22