面试题：Redis跳跃表高度动态调整的代码优化

Question

Redis跳跃表的高度会根据实际插入节点情况动态调整，以维持较好的查找性能。请描述在实现高度动态调整功能时，代码中可能面临的挑战，例如如何避免频繁的高度调整导致性能下降，并说明相应的优化方案，包括数据结构的调整或算法的改进等。

Answer 1

面临的挑战

1. 频繁调整性能问题：频繁调整跳跃表高度会涉及大量节点指针的重新分配与调整，这会消耗较多 CPU 资源和时间，导致整体性能下降。
2. 随机高度生成：在决定新插入节点高度时，若随机高度生成策略不合理，可能导致跳跃表结构不均匀，影响查找性能。例如，若生成的高度普遍过高或过低，都会使跳跃表失去其优势。
3. 指针更新一致性：在调整高度过程中，需要确保所有相关指针的更新是一致的。如果出现指针更新错误，可能导致跳跃表结构损坏，使得查找、插入等操作无法正确执行。

优化方案

1. 控制调整频率：
   • 采用延迟调整策略：不是每次插入节点都立即调整高度，而是设置一个阈值。当插入节点数量达到一定阈值后，再统一评估是否需要调整高度。这样可以减少频繁调整带来的开销。
   • 平滑调整：每次调整高度时，不要一次性调整到理想高度，而是逐步进行调整。例如每次调整只改变部分节点的高度，使得调整过程更加平滑，减少对性能的冲击。
2. 改进随机高度生成：
   • 使用更合理的概率模型：例如采用幂律分布来生成随机高度，使得生成较低高度的概率较大，较高高度的概率较小，这样能保证跳跃表结构相对均匀。以 Redis 为例，其采用每抛一次硬币，若为正面则高度加 1 的方式，且硬币正面概率为 1/4，这种方式近似幂律分布。
   • 结合已有高度信息：在生成新节点高度时，参考当前跳跃表的平均高度或最大高度等信息，使得新生成高度更符合整体结构需求。
3. 确保指针更新一致性：
   • 引入事务机制：在进行高度调整操作时，将所有相关指针的更新操作作为一个事务来处理。若其中任何一个操作失败，能够回滚到操作前的状态，保证跳跃表结构的完整性。
   • 使用临时数据结构：在调整高度过程中，先使用临时数据结构记录需要调整的指针变化，待所有变化计算完成后，再一次性更新实际的跳跃表结构，确保指针更新的一致性。