面试题：Redis跳跃表在缓存系统中的应用

Question

在一个简单的缓存系统中，假设需要快速定位热点数据以提高访问效率，简述如何利用Redis跳跃表来实现这一功能，包括数据结构的设计和基本操作流程。

Answer 1

数据结构设计

1. Redis跳跃表：
   • Redis跳跃表（skiplist）是一种有序的数据结构，由多层链表组成。每一层都是一个有序的链表，不同层的节点通过指针相连。高层的节点稀疏，底层的节点密集。
   • 在缓存系统中，跳跃表可以按数据的访问频率作为排序依据。
2. 节点结构：
   • 每个节点除了包含数据本身（如缓存的键值对中的键），还包含访问频率字段。在Redis跳跃表节点中，一般有向前指针数组，数组的每个元素指向同层的下一个节点，层数越高，指针跨度越大。
   • 例如，对于缓存的键值对 <key, value>，在跳跃表节点中主要存储 key 和其对应的访问频率 frequency。

基本操作流程

1. 插入操作：
   • 当新数据进入缓存系统时，首先创建跳跃表节点，初始化其访问频率为1。
   • 然后使用跳跃表的插入算法，根据节点的访问频率（这里按频率从小到大排序，频率相同可按键的字典序等其他规则）将新节点插入到跳跃表合适位置。在插入过程中，通过随机算法决定新节点的层数，以维持跳跃表的平衡性。
2. 查询操作：
   • 当有数据查询请求时，先在缓存中查找。如果命中缓存，找到对应的跳跃表节点，将其访问频率加1。
   • 然后调整跳跃表结构，因为节点的访问频率改变，需要将该节点重新插入到跳跃表中合适位置（可能需要从当前位置移除并插入到更高层合适位置，以反映其访问频率增加）。
3. 热点数据定位：
   • 由于跳跃表是按访问频率排序的，通过从跳跃表最高层开始遍历，可快速定位到访问频率最高的前几个节点，这些节点对应的数据就是热点数据。可以根据业务需求，获取前N个热点数据，例如获取前10个访问频率最高的缓存键值对数据。