面试题：Redis跳跃表API在数据检索中如何提升效率

Question

请详细阐述Redis跳跃表的结构以及其API在数据检索场景下，相比普通链表是如何显著提升检索效率的，举例说明相关API的使用场景。

Answer 1

Redis跳跃表结构

1. 节点结构：
   • 每个节点包含一个分值（score），用于排序。例如，在一个存储成绩的跳跃表中，score可以是学生的考试分数。
   • 一个或多个层（level），每层包含一个指向下一个节点的指针和跨度（span）。跨度记录了当前节点到下一个节点之间的节点数。
   • 一个对象（obj），用于存储实际的数据，如学生的姓名等。
2. 头节点和尾节点：
   • 头节点是跳跃表的起始节点，它的层数量通常会比其他节点多，方便快速定位。尾节点的所有层指针都指向NULL。
3. 层结构：
   • 跳跃表的层是随机生成的，每一层形成一个有序链表。高层链表中的节点是底层链表节点的子集，高层链表的节点稀疏，底层链表的节点密集。例如，最上层链表可能每5个节点才有一个，而下一层可能每3个节点有一个，最底层则包含所有节点。

相比普通链表提升检索效率的原理

1. 分层结构：
   • 普通链表检索时，只能依次遍历每个节点，时间复杂度为O(n)。而跳跃表通过分层，在高层链表中可以快速跨越大量节点。例如，在一个有1000个节点的跳跃表中，假设高层链表每100个节点有一个，从高层链表开始检索，最多只需遍历10个节点就可以定位到目标节点所在的大致范围，然后再在底层链表中精确查找，大大减少了遍历次数，平均时间复杂度降为O(log n)。
2. 随机化层高：
   • 跳跃表的层高是随机生成的，根据概率，大部分节点的层高较低，少部分节点的层高较高。这种随机化的层高分布，保证了跳跃表在插入和删除操作后仍能保持较好的检索效率。

API使用场景举例

1. zadd命令：
   • 场景：用于向有序集合（基于跳跃表实现）中添加成员及其分值。例如，在一个排行榜应用中，要添加新的用户成绩。
   • 示例：zadd leaderboard 100 "user1"，表示将用户user1的成绩100添加到名为leaderboard的有序集合中。
2. zrange命令：
   • 场景：获取有序集合中指定范围内的成员。例如，在排行榜中获取前10名用户。
   • 示例：zrange leaderboard 0 9，表示获取leaderboard有序集合中排名第1到第10的用户。
3. zscore命令：
   • 场景：获取有序集合中某个成员的分值。例如，查询某个用户在排行榜中的成绩。
   • 示例：zscore leaderboard "user1"，返回user1在leaderboard中的成绩。