面试题：Redis跳跃表相比平衡二叉树在高并发场景下的优势

Question

假设在高并发读写的Redis应用场景中，说明跳跃表相较于平衡二叉树，在应对并发操作时，在数据结构特性、锁机制需求等方面的优势体现在哪里？

Answer 1

数据结构特性优势

1. 结构复杂度与灵活性
   • 跳跃表：跳跃表采用多层链表结构，其插入、删除操作平均时间复杂度为 $O(\log n)$ 。它的结构相对松散，节点之间通过多层指针相连，在插入和删除节点时，不需要像平衡二叉树那样进行复杂的旋转操作来维持平衡。例如，在高并发场景下，多个线程同时进行插入操作，跳跃表由于操作简单，更易于处理并发情况，不会因为复杂的平衡调整操作而导致线程间竞争加剧。
   • 平衡二叉树：平衡二叉树为了保持树的高度平衡，插入和删除操作后往往需要进行复杂的旋转操作来维持平衡，时间复杂度虽然也是 $O(\log n)$，但操作的复杂程度较高。在高并发场景下，这些复杂操作可能导致不同线程对树结构的修改相互干扰，增加了并发控制的难度。
2. 内存布局与缓存友好性
   • 跳跃表：跳跃表的节点在内存中以链表形式存储，节点之间的内存地址是连续或相近的（取决于具体实现，链式存储本身内存连续性较好），这种内存布局在缓存命中方面有一定优势。在高并发读操作时，由于缓存局部性原理，连续内存访问更容易命中缓存，减少内存访问次数，提高读取性能。
   • 平衡二叉树：平衡二叉树的节点在内存中分布相对离散，因为树的结构特点，节点可能在内存中随机分布。在高并发读操作时，缓存命中率相对较低，每次访问节点可能需要更多的内存访问，这在一定程度上会影响读取性能。

锁机制需求优势

1. 锁粒度
   • 跳跃表：可以采用更细粒度的锁机制。例如，在进行插入或删除操作时，跳跃表可以通过对单个节点或部分链表段加锁来保证并发安全。比如，在插入一个新节点时，只需要对新节点插入位置附近的节点加锁，而不会影响其他链表段的操作。这样在高并发场景下，多个线程可以同时对不同链表段进行操作，提高了并发性能。
   • 平衡二叉树：由于树结构的整体性，在进行插入、删除等操作时，往往需要对整棵树或较大子树加锁。因为平衡二叉树的平衡调整操作可能涉及到多个节点，为了保证数据一致性，需要锁住相关的节点集合。例如，一次插入操作可能需要锁住从插入节点到根节点路径上的所有节点以及一些可能需要调整的兄弟节点等。这就导致在高并发场景下，其他线程对树的操作很容易被阻塞，降低了并发性能。
2. 锁争用
   • 跳跃表：因为锁粒度细，多个线程同时操作跳跃表时，锁争用的概率相对较低。不同线程可以并行处理不同链表段的操作，减少了线程等待锁的时间，从而提高了系统的并发处理能力。
   • 平衡二叉树：由于锁粒度较大，在高并发场景下，多个线程对树进行操作时，很容易出现锁争用的情况。一个线程持有锁进行树结构调整操作时，其他线程只能等待，这就降低了系统的并发性能，并且可能导致线程饥饿等问题。