跳表的原理 | 青训营笔记

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跳表是一种基于链表的数据结构,它是为了解决链表在查找和插入操作时效率低下的问题而提出的。跳表通过增加多级索引来提高访问效率,每个节点可以有多个后继节点,每个后继节点都是跳表中跳过若干个节点后的下一个节点。

跳表是一种高效的动态数据结构,具有以下几个优点:

  1. 查询效率高

跳表通过增加多级索引来提高访问效率,查询时从顶层开始跳过大量数据,直到到达目标位置,最终查询的时间复杂度是O(log n)。

  1. 支持动态操作

跳表的结构允许动态插入和删除数据,每个节点的层数是随机分配的,因此可以在不影响结构完整性的前提下进行插入、删除数据操作。

  1. 节省空间

跳表相对于平衡树来说,在时间复杂度相同的情况下,跳表结构存储空间更小,因为跳表只需要存储每个节点的指针和数据,而平衡树需要存储左右子树和平衡因子等信息。

  1. 易于实现

跳表的实现相对来说比较简单,查找和插入等操作也不需要进行平衡操作,对于实现算法的程序员来说相对容易入手。

基于以上几个优点,跳表广泛应用于一些需要高效访问有序数据的场景,如 Redis 中的有序集合、leveldb 等存储引擎的索引实现等。

跳表的实现原理如下:

  1. 跳表的节点结构包含数据域、多个指针域以及层数。
  2. 跳表的索引按层次分布,第一层是完整的链表,每个节点的第 i 层索引指向下一个具有相同或更大的值的节点,直到第 i+1 层索引指向同一层更远的节点。
  3. 每个节点的层数是随机分配的,通常使用概率为1/2的随机函数来控制节点层数,这样可以保证跳表高度平衡的概率很高。
  4. 在进行查找和插入操作时,首先从跳表顶部的索引开始查找,根据节点值大小跳过一些节点,直到找到目标节点或者当前层无法继续跳过为止,然后返回下一层索引再进行查找,以此类推,直到找到目标节点或者最底层索引结束。
  5. 插入操作需要先查找到待插入节点的位置,然后将新节点插入到每一层相应的位置,并更新每个节点的后继节点指向新插入的节点即可。

跳表的实现原理虽然较为复杂,但其查找和插入操作的时间复杂度都是 O(log n),与平衡树相当,利用跳表可以快速地进行范围查询和数据的排序等操作,是一种非常实用的数据结构。