如果有遺漏,評(píng)論區(qū)告訴我進(jìn)行補(bǔ)充

面試官: Redis數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)壓縮列表和跳躍表的區(qū)別？

我回答:

關(guān)于Redis數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的理解是一個(gè)重要的考察點(diǎn)，特別是壓縮列表（ziplist）和跳躍表（skiplist）這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它們?cè)趦?nèi)部實(shí)現(xiàn)和使用場(chǎng)景上有一些重要的區(qū)別。下面是對(duì)這兩種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)解釋：

一、定義與基本原理

壓縮列表（ziplist）

定義：

• 壓縮列表是Redis為了節(jié)約內(nèi)存而設(shè)計(jì)的一種線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它本質(zhì)上是一個(gè)字節(jié)數(shù)組，可以包含多個(gè)元素，每個(gè)元素可以是一個(gè)字節(jié)數(shù)組或一個(gè)整數(shù)。

結(jié)構(gòu)：

• 壓縮列表由多個(gè)字段組成，包括列表的總字節(jié)數(shù)（zlbytes）、列表尾元素的偏移量（zltail）、列表的元素?cái)?shù)目（zllen），以及若干個(gè)元素（entry）和列表的結(jié)尾標(biāo)志（zlend）。每個(gè)元素又由前一個(gè)元素的長度（previous_entry_length）、元素的類型和長度（encoding）以及元素的值（content）三部分組成。
• 緊湊存儲(chǔ)：壓縮列表是一種非常緊湊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它將多個(gè)元素存儲(chǔ)在一個(gè)連續(xù)的內(nèi)存塊中，減少了內(nèi)存碎片。
• 無指針：壓縮列表不使用指針，而是通過偏移量來訪問元素，這樣可以節(jié)省內(nèi)存空間。
• 變長編碼：壓縮列表中的每個(gè)元素都使用變長編碼，根據(jù)元素的實(shí)際大小來分配空間。

應(yīng)用場(chǎng)景：

• 壓縮列表適用于元素?cái)?shù)量少且長度小的場(chǎng)景，如有序集合或哈希。當(dāng)數(shù)據(jù)長度或列表長度超過一定閾值時(shí)，Redis會(huì)考慮使用其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
• 小數(shù)據(jù)集：適用于存儲(chǔ)少量的小型數(shù)據(jù)，如字符串、整數(shù)等。
• 有序集合：在 Redis 3.2 及之前的版本中，當(dāng)有序集合的元素較少且元素長度較短時(shí)，Redis 會(huì)使用壓縮列表來存儲(chǔ)有序集合。

操作性能：

• 插入和刪除：在壓縮列表中插入或刪除元素可能需要移動(dòng)大量數(shù)據(jù)，因此在大數(shù)據(jù)集下性能較差。
• 查找：由于沒有索引，查找操作需要遍歷整個(gè)列表，時(shí)間復(fù)雜度為 O(n)。

內(nèi)存效率：

• 高效：壓縮列表在內(nèi)存使用上非常高效，因?yàn)樗苊饬酥羔樅皖~外的空間開銷。

跳躍表（skiplist）

定義：

• 跳躍表是一種有序數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它通過在每個(gè)節(jié)點(diǎn)中維持多個(gè)指向其他節(jié)點(diǎn)的指針，從而達(dá)到快速訪問節(jié)點(diǎn)的目的。

結(jié)構(gòu)：

• 跳躍表由節(jié)點(diǎn)（Node）組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含一個(gè)有序元素以及多個(gè)層（Level）。每個(gè)層都包含一個(gè)指向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的指針，這些指針按照升序排列。節(jié)點(diǎn)的層數(shù)越多，表示該節(jié)點(diǎn)在搜索路徑中被訪問的可能性越大。此外，跳躍表還包含頭節(jié)點(diǎn)（Header Node）、長度（Length）和最大層數(shù)（Max Level）等字段。
• 多層索引：跳躍表是一種多層索引的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每一層都包含一個(gè)指向下一節(jié)點(diǎn)的指針。最底層是一個(gè)完整的鏈表，而上層則是一些稀疏的索引。
• 平衡性：跳躍表通過隨機(jī)化的方式保持平衡，使得查找、插入和刪除操作的時(shí)間復(fù)雜度平均為 O(log n)。
• 動(dòng)態(tài)調(diào)整：跳躍表可以在運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整層數(shù)，以保持高效的查詢性能。

搜索操作：

• 在跳躍表中搜索一個(gè)元素時(shí)，從頭節(jié)點(diǎn)的最高層開始，沿著指針向下搜索，直到找到目標(biāo)元素或確定目標(biāo)元素不存在。這種搜索方式使得跳躍表能夠在平均情況下保持較高的搜索效率。

應(yīng)用場(chǎng)景：

• 跳躍表主要用于實(shí)現(xiàn)Redis中的有序集合數(shù)據(jù)類型，通過跳躍表可以高效地支持元素的按照分?jǐn)?shù)（score）進(jìn)行排序和檢索。
• • 大數(shù)據(jù)集：適用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，特別是需要頻繁進(jìn)行查找、插入和刪除操作的場(chǎng)景。
• 有序集合：在 Redis 3.2 及之后的版本中，當(dāng)有序集合的元素較多或元素長度較長時(shí)，Redis 會(huì)使用跳躍表來存儲(chǔ)有序集合。

操作性能：

• 插入和刪除：跳躍表的插入和刪除操作平均時(shí)間復(fù)雜度為 O(log n)，并且可以通過調(diào)整層數(shù)來保持高效的性能。
• 查找：跳躍表的查找操作也具有 O(log n) 的平均時(shí)間復(fù)雜度，比壓縮列表的 O(n) 更高效。

內(nèi)存效率：

• 相對(duì)較低：跳躍表在內(nèi)存使用上不如壓縮列表高效，因?yàn)樗枰S護(hù)多層索引和指針。

二、性能對(duì)比

查找效率

• 壓縮列表的查找操作是順序查找，時(shí)間復(fù)雜度為O(n)。
• 跳躍表的查找操作具有平均時(shí)間復(fù)雜度O(log N)，其中N是有序集合的元素?cái)?shù)量。這使得跳躍表在查找大量數(shù)據(jù)時(shí)具有顯著優(yōu)勢(shì)。

內(nèi)存占用

• 壓縮列表：壓縮列表是一種內(nèi)存緊湊型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它通過連續(xù)的內(nèi)存空間存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，以達(dá)到節(jié)省內(nèi)存的目的。然而，當(dāng)元素?cái)?shù)量增多或元素長度增大時(shí)，內(nèi)存占用也會(huì)相應(yīng)增加。
• 跳躍表：跳躍表的空間復(fù)雜度為O(n)，其中n是節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。雖然跳躍表的每個(gè)節(jié)點(diǎn)可能包含多個(gè)指向其他節(jié)點(diǎn)的指針（即所謂的“層”），但整體來看，這些額外的指針并不會(huì)顯著增加整體的空間占用。

更新操作

• 壓縮列表：壓縮列表的更新操作可能會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存重分配和連鎖更新，影響性能。特別是當(dāng)需要插入或刪除元素時(shí)，可能需要移動(dòng)大量數(shù)據(jù)以保持列表的連續(xù)性。
• 跳躍表：跳躍表的插入和刪除操作同樣可以在平均情況下保持較高的效率。這是因?yàn)樘S表在插入或刪除節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)根據(jù)一定的規(guī)則更新節(jié)點(diǎn)的位置和數(shù)量，以保持整個(gè)結(jié)構(gòu)的平衡和稀疏性。

三、選擇與應(yīng)用

選擇依據(jù)

* 在選擇使用壓縮列表還是跳躍表時(shí)，需要根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和需求進(jìn)行權(quán)衡。如果元素?cái)?shù)量少且長度小，且對(duì)內(nèi)存占用有較高要求，可以考慮使用壓縮列表。如果元素?cái)?shù)量多且需要快速查找、插入和刪除操作，可以選擇跳躍表。

Redis中的應(yīng)用

* 在Redis中，壓縮列表被用于實(shí)現(xiàn)短小的列表或集合。當(dāng)數(shù)據(jù)長度或列表長度超過一定閾值時(shí)，Redis會(huì)自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換為其他數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（如鏈表或哈希表）。
* 跳躍表則被用于實(shí)現(xiàn)有序集合數(shù)據(jù)類型（如Sorted Set）。通過跳躍表，Redis可以高效地支持元素的按照分?jǐn)?shù)進(jìn)行排序和檢索操作。

總結(jié)

• 壓縮列表：

  • 優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)存占用少，適合小數(shù)據(jù)集。
  • 缺點(diǎn)：插入和刪除操作在大數(shù)據(jù)集下性能差，查找操作時(shí)間復(fù)雜度為 O(n)。
  • 適用場(chǎng)景：小數(shù)據(jù)集，少量小型數(shù)據(jù)。

• 跳躍表：

  • 優(yōu)點(diǎn)：高效的查找、插入和刪除操作，適合大數(shù)據(jù)集。
  • 缺點(diǎn)：內(nèi)存占用相對(duì)較高。
  • 適用場(chǎng)景：大數(shù)據(jù)集，頻繁的查找、插入和刪除操作。

在 Redis 中，選擇使用哪種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)取決于具體的應(yīng)用場(chǎng)景和數(shù)據(jù)規(guī)模。對(duì)于小數(shù)據(jù)集，壓縮列表是一個(gè)更優(yōu)的選擇；而對(duì)于大數(shù)據(jù)集，跳躍表則更為合適。Redis 會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)集的大小和配置自動(dòng)選擇合適的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。