Redis基础数据结构之 Sorted Set 有序集合 源码解读

目录标题

  • Sorted Set 是什么?
  • Sorted Set 数据结构
    • 跳表（skiplist）
      • 跳表节点的结构定义
      • 跳表的定义
      • 跳表节点查询
      • 层数设置
  • Sorted Set 基本操作

Sorted Set 是什么?

有序集合（Sorted Set）是 Redis 中一种重要的数据类型，它本身是集合类型，同时也可以支持集合中的元素带有权重，并按权重排序。

  • ZRANGEBYSCORE：按照元素权重返回一个范围内的元素
  • ZSCORE：返回某个元素的权重值

在这里插入图片描述

Sorted Set 数据结构

  • 结构定义：server.h
  • 实现：t_zset.c

结构定义是 zset，里面包含哈希表 dict 和跳表 zsl。zset 充分利用了：

  • 哈希表的高效单点查询特性（ZSCORE）
  • 跳表的高效范围查询（ZRANGEBYSCORE）

typedef struct zset {
    dict *dict;
    zskiplist *zsl;
} zset;

Skiplist：用于快速查找、插入和删除操作，提供近似O(log N)的时间复杂度

Dictionary（Hashtables）：用来存储成员与分数的映射关系，确保每个成员的唯一性

跳表（skiplist）

多层的有序链表。下面展示的是 3 层的跳表，头节点是一个 level 数组，作为 level0~level2 的头指针。

在这里插入图片描述

跳表节点的结构定义

typedef struct zskiplistNode {
    // sorted set 中的元素
    sds ele;
    // 元素权重
    double score;
    // 后向指针（为了便于从跳表的尾节点倒序查找）
    struct zskiplistNode *backward;
    // 节点的 level 数组
    struct zskiplistLevel {
        // 每层上的前向指针
        struct zskiplistNode *forward;
        // 跨度，记录节点在某一层 *forward 指针和该节点，跨越了 level0 上的几个节点
        unsigned long span;
    } level[];
} zskiplistNode;

跳表的定义

typedef struct zskiplist {
    // 头节点和尾节点
    struct zskiplistNode *header, *tail;
    unsigned long length;
    int level;
} zskiplist;

在这里插入图片描述

跳表节点查询

在查询某个节点时，跳表会从头节点的最高层开始，查找下一个节点：
访问下一个节点

  • 当前节点的元素权重 < 要查找的权重
  • 当前节点的元素权重 = 要查找的权重，且节点数据<要查找的数据
    访问当前节点 level 数组的下一层指针
    当前节点的元素权重 > 要查找的权重
//获取跳表的表头
x = zsl->header;
//从最大层数开始逐一遍历
for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
   ...
   while (x->level[i].forward && (x->level[i].forward->score < score || (x->level[i].forward->score == score 
    && sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0))) {
      ...
      x = x->level[i].forward;
    }
    ...
}

层数设置

几种方法：

  • 每层的节点数约是下一层节点数的一半。
    • 好处：查找时类似于二分查找，查找复杂度可以减低到 O(logN)
    • 坏处：每次插入/删除节点，都要调整后续节点层数，带来额外开销

随机生成每个节点的层数。Redis 跳表采用了这种方法。
Redis 中，跳表节点层数是由 zslRandomLevel 函数决定。

int zslRandomLevel(void) {
    int level = 1;
    while ((random()&0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))
        level += 1;
    return (level<ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}

其中每层增加的概率是 0.25，最大层数是 32。

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 32 /* Should be enough for 2^64 elements */
#define ZSKIPLIST_P 0.25      /* Skiplist P = 1/4 */
跳表插入节点 zslInsert
zskiplistNode *zslInsert(zskiplist *zsl, double score, sds ele) {
    zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
    unsigned int rank[ZSKIPLIST_MAXLEVEL];
    int i, level;

    serverAssert(!isnan(score));
    x = zsl->header;
    // 从最高层的 level 开始找
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
        // 每层待插入的位置
        rank[i] = i == (zsl->level-1) ? 0 : rank[i+1];
        // forward.score < 待插入 score || (forward.score < 待插入 score && forward.ele < ele)
        while (x->level[i].forward &&
               (x->level[i].forward->score < score ||
                (x->level[i].forward->score == score &&
                 sdscmp(x->level[i].forward->ele, ele) < 0))) {
            // 在同一层 level 找下一个节点
            rank[i] += x->level[i].span;
            x = x->level[i].forward;
        }
        update[i] = x;
    }

    // 随机层数
    level = zslRandomLevel();

    // 如果待插入节点的随机层数 > 跳表当前的层数
    if (level > zsl->level) {
        // 增加对应的层数
        for (i = zsl->level; i < level; i++) {
            rank[i] = 0;
            update[i] = zsl->header;
            update[i]->level[i].span = zsl->length;
        }
        zsl->level = level;
    }
    // 新建节点
    x = zslCreateNode(level, score, ele);
    // 设置新建节点的 level 数组
    for (i = 0; i < level; i++) {
        x->level[i].forward = update[i]->level[i].forward;
        update[i]->level[i].forward = x;

        /* update span covered by update[i] as x is inserted here */
        x->level[i].span = update[i]->level[i].span - (rank[0] - rank[i]);
        update[i]->level[i].span = (rank[0] - rank[i]) + 1;
    }

    for (i = level; i < zsl->level; i++) {
        update[i]->level[i].span++;
    }

    x->backward = (update[0] == zsl->header) ? NULL : update[0];
    if (x->level[0].forward)
        x->level[0].forward->backward = x;
    else
        zsl->tail = x;
    zsl->length++;
    return x;
}

跳表删除节点 zslDelete

int zslDelete(zskiplist *zsl, double score, sds ele, zskiplistNode **node) {
    zskiplistNode *update[ZSKIPLIST_MAXLEVEL], *x;
    int i;

    x = zsl->header;
    // 找到待删除的节点
    for (i = zsl->level-1; i >= 0; i--) {
        while (x->level[i].forward &&
                (x->level[i].forward->score < score ||
                    (x->level[i].forward->score == score &&
                     sdscmp(x->level[i].forward->ele,ele) < 0)))
        {
            x = x->level[i].forward;
        }
        update[i] = x;
    }
    x = x->level[0].forward;
    // 判断节点的 score 和 ele 是否符合条件
    if (x && score == x->score && sdscmp(x->ele,ele) == 0) {
        // 删除该节点
        zslDeleteNode(zsl, x, update);
        if (!node)
            // 释放内存
            zslFreeNode(x);
        else
            *node = x;
        return 1;
    }
    return 0; /* not found */
}

Sorted Set 基本操作

首先看下如何创建跳表，代码在 object.c 中，可以看到会调用 dictCreate 函数创建哈希表，之后调用 zslCreate 函数创建跳表。

robj *createZsetObject(void) {
    zset *zs = zmalloc(sizeof(*zs));
    robj *o;

    zs->dict = dictCreate(&zsetDictType,NULL);
    zs->zsl = zslCreate();
    o = createObject(OBJ_ZSET,zs);
    o->encoding = OBJ_ENCODING_SKIPLIST;
    return o;
}

哈希表和跳表的数据必须保持一致。我们通过 zsetAdd 函数研究一下。

zsetAdd
啥都不说了，都在流程图里。
在这里插入图片描述
首先判断编码是 ziplist，还是 skiplist。

ziplist 编码
里面需要判断是否要转换编码，如果转换编码，则需要调用 zsetConvert 转换成 ziplist 编码，这里就不叙述了。

// ziplist 编码时的处理逻辑
if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_ZIPLIST) {
    unsigned char *eptr;

    // zset 存在要插入的元素
    if ((eptr = zzlFind(zobj->ptr, ele, &curscore)) != NULL) {
        // 存储要插入的元素时，在 not exist 时更新
        if (nx) {
            *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
            return 1;
        }

        ……
        if (newscore) *newscore = score;

        // 原来的 score 和待插入 score 不同
        if (score != curscore) {
            // 先删除原来的元素
            zobj->ptr = zzlDelete(zobj->ptr, eptr);
            // 插入新元素
            zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr, ele, score);
            *out_flags |= ZADD_OUT_UPDATED;
        }
        return 1;
    }
    // zset 中不存在要插入的元素
    else if (!xx) {

        // 检测 ele 是否过大 || ziplist 过大
        if (zzlLength(zobj->ptr) + 1 > server.zset_max_ziplist_entries ||
            sdslen(ele) > server.zset_max_ziplist_value ||
            !ziplistSafeToAdd(zobj->ptr, sdslen(ele))) {
            // 转换成 skiplist 编码
            zsetConvert(zobj, OBJ_ENCODING_SKIPLIST);
        } else {
            // 在 ziplist 中插入 (element,score) pair
            zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr, ele, score);
            if (newscore) *newscore = score;
            *out_flags |= ZADD_OUT_ADDED;
            return 1;
        }
    } else {
        *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
        return 1;
    }
}
skiplist 编码
// skiplist 编码时的处理逻辑
if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_SKIPLIST) {
    zset *zs = zobj->ptr;
    zskiplistNode *znode;
    dictEntry *de;

    // 从哈希表中查询新增元素
    de = dictFind(zs->dict, ele);

    // 查询到该元素
    if (de != NULL) {
        /* NX? Return, same element already exists. */
        if (nx) {
            *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
            return 1;
        }

        ……
        if (newscore) *newscore = score;

        // 权重发生变化
        if (score != curscore) {
            // 更新跳表节点
            znode = zslUpdateScore(zs->zsl, curscore, ele, score);
            // 让哈希表的元素的值指向跳表节点的权重
            dictGetVal(de) = &znode->score; /* Update score ptr. */
            *out_flags |= ZADD_OUT_UPDATED;
        }
        return 1;
    }
        // 如果新元素不存在
    else if (!xx) {
        ele = sdsdup(ele);
        // 在跳表中插入新元素
        znode = zslInsert(zs->zsl, score, ele);
        // 在哈希表中插入新元素
        serverAssert(dictAdd(zs->dict, ele, &znode->score) == DICT_OK);
        *out_flags |= ZADD_OUT_ADDED;
        if (newscore) *newscore = score;
        return 1;
    } else {
        *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
        return 1;
    }
}

zsetAdd 整体代码

int zsetAdd(robj *zobj, double score, sds ele, int in_flags, int *out_flags, double *newscore) {
    /* Turn options into simple to check vars. */
    int incr = (in_flags & ZADD_IN_INCR) != 0;
    int nx = (in_flags & ZADD_IN_NX) != 0;
    int xx = (in_flags & ZADD_IN_XX) != 0;
    int gt = (in_flags & ZADD_IN_GT) != 0;
    int lt = (in_flags & ZADD_IN_LT) != 0;
    *out_flags = 0; /* We'll return our response flags. */
    double curscore;

    /* NaN as input is an error regardless of all the other parameters. */
    // 判断 score 是否合法，不合法直接 return
    if (isnan(score)) {
        *out_flags = ZADD_OUT_NAN;
        return 0;
    }

    /* Update the sorted set according to its encoding. */

    // ziplist 编码时的处理逻辑
    if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_ZIPLIST) {
        unsigned char *eptr;

        // zset 存在要插入的元素
        if ((eptr = zzlFind(zobj->ptr, ele, &curscore)) != NULL) {
            // 存储要插入的元素时，在 not exist 时更新
            if (nx) {
                *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
                return 1;
            }

            /* Prepare the score for the increment if needed. */
            if (incr) {
                score += curscore;
                if (isnan(score)) {
                    *out_flags |= ZADD_OUT_NAN;
                    return 0;
                }
            }

            /* GT/LT? Only update if score is greater/less than current. */
            if ((lt && score >= curscore) || (gt && score <= curscore)) {
                *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
                return 1;
            }

            if (newscore) *newscore = score;

            // 原来的 score 和待插入 score 不同
            if (score != curscore) {
                // 先删除原来的元素
                zobj->ptr = zzlDelete(zobj->ptr, eptr);
                // 插入新元素
                zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr, ele, score);
                *out_flags |= ZADD_OUT_UPDATED;
            }
            return 1;
        }
            // zset 中不存在要插入的元素
        else if (!xx) {

            // 检测 ele 是否过大 || ziplist 过大
            if (zzlLength(zobj->ptr) + 1 > server.zset_max_ziplist_entries ||
                sdslen(ele) > server.zset_max_ziplist_value ||
                !ziplistSafeToAdd(zobj->ptr, sdslen(ele))) {
                // 转换成 skiplist 编码
                zsetConvert(zobj, OBJ_ENCODING_SKIPLIST);
            } else {
                // 在 ziplist 中插入 (element,score) pair
                zobj->ptr = zzlInsert(zobj->ptr, ele, score);
                if (newscore) *newscore = score;
                *out_flags |= ZADD_OUT_ADDED;
                return 1;
            }
        } else {
            *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
            return 1;
        }
    }

    /* Note that the above block handling ziplist would have either returned or
     * converted the key to skiplist. */

    // skiplist 编码时的处理逻辑
    if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_SKIPLIST) {
        zset *zs = zobj->ptr;
        zskiplistNode *znode;
        dictEntry *de;

        // 从哈希表中查询新增元素
        de = dictFind(zs->dict, ele);

        // 查询到该元素
        if (de != NULL) {
            /* NX? Return, same element already exists. */
            if (nx) {
                *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
                return 1;
            }

            // 从哈希表中查询元素的权重
            curscore = *(double *) dictGetVal(de);

            // 如果要更新元素权重值
            if (incr) {
                score += curscore;
                if (isnan(score)) {
                    *out_flags |= ZADD_OUT_NAN;
                    return 0;
                }
            }

            /* GT/LT? Only update if score is greater/less than current. */
            if ((lt && score >= curscore) || (gt && score <= curscore)) {
                *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
                return 1;
            }

            if (newscore) *newscore = score;

            // 权重发生变化
            if (score != curscore) {
                // 更新跳表节点
                znode = zslUpdateScore(zs->zsl, curscore, ele, score);
                // 让哈希表的元素的值指向跳表节点的权重
                dictGetVal(de) = &znode->score; /* Update score ptr. */
                *out_flags |= ZADD_OUT_UPDATED;
            }
            return 1;
        }
            // 如果新元素不存在
        else if (!xx) {
            ele = sdsdup(ele);
            // 在跳表中插入新元素
            znode = zslInsert(zs->zsl, score, ele);
            // 在哈希表中插入新元素
            serverAssert(dictAdd(zs->dict, ele, &znode->score) == DICT_OK);
            *out_flags |= ZADD_OUT_ADDED;
            if (newscore) *newscore = score;
            return 1;
        } else {
            *out_flags |= ZADD_OUT_NOP;
            return 1;
        }
    } else {
        serverPanic("Unknown sorted set encoding");
    }
    return 0; /* Never reached. */
}
zsetDel
int zsetDel(robj *zobj, sds ele) {
    // ziplist 编码
    if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_ZIPLIST) {
        unsigned char *eptr;

        // 找到对应的节点
        if ((eptr = zzlFind(zobj->ptr, ele, NULL)) != NULL) {
            // 从 ziplist 中删除
            zobj->ptr = zzlDelete(zobj->ptr, eptr);
            return 1;
        }
    }
    // skiplist 编码
    else if (zobj->encoding == OBJ_ENCODING_SKIPLIST) {
        zset *zs = zobj->ptr;
        // 从 skiplist 中删除
        if (zsetRemoveFromSkiplist(zs, ele)) {
            if (htNeedsResize(zs->dict)) dictResize(zs->dict);
            return 1;
        }
    } else {
        serverPanic("Unknown sorted set encoding");
    }
    return 0; /* No such element found. */
}

Redis 的有序集合通过跳跃表和字典的结合，既保证了成员的唯一性，又提供了高效的排序和检索能力，使其成为处理需要排序数据的理想选择。

在这里插入图片描述

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数据详情 世界第一幅1∶250万月球全月地质图 数据属性 数据名称&#xff1a;月球1:250万全月地质图 数据时间&#xff1a;- 空间位置&#xff1a;月球 数据格式&#xff1a;jpg 空间分辨率&#xff1a;1:250万 坐标系&#xff1a;- 下载方法 打开数字地球开放平台网站&…
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跨境商家如何在1688找优质供应商货源，新手卖家必看

跨境商家如何在1688找优质供应商货源，新手卖家必看

选产品和找供应&#xff0c;是每个跨境人不可避免的&#xff0c;但是盲目的选品&#xff0c;无疑是大海捞针。如果你选择的商品没有固定的供应商&#xff0c;要上1688找又得花不少时间&#xff0c;店雷达选品工具就能够帮助我们解决这个问题。据我所知&#xff0c;很多跨境同行…
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STM32上实现FFT算法精准测量正弦波信号的幅值、频率和相位差（标准库）

STM32上实现FFT算法精准测量正弦波信号的幅值、频率和相位差（标准库）

在研究声音、电力或任何形式的波形时&#xff0c;我们常常需要穿过表面看本质。FFT&#xff08;快速傅里叶变换&#xff09;就是这样一种强大的工具&#xff0c;它能够揭示隐藏在复杂信号背后的频率成分。本文将带你走进FFT的世界&#xff0c;了解它是如何将时域信号转化为频域…
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最新绿豆影视系统 /反编译版源码/PC+WAP+APP端 /附搭建教程+软件

最新绿豆影视系统 /反编译版源码/PC+WAP+APP端 /附搭建教程+软件

源码简介&#xff1a; 最新的绿豆影视系统5.1.8&#xff0c;这可是个反编译版的源码哦&#xff01;它不仅支持PC端、WAP端&#xff0c;还有APP端&#xff0c;一应俱全。而且附上了搭建教程和软件&#xff0c;安卓和苹果双端都能用&#xff0c;实用方便&#xff01; 优化内容&…
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设计模式 组合模式（Composite Pattern）

设计模式 组合模式（Composite Pattern）

组合模式简绍 组合模式&#xff08;Composite Pattern&#xff09;是一种结构型设计模式&#xff0c;它允许你将对象组合成树形结构来表示“部分-整体”的层次结构。组合模式使得客户端可以用一致的方式处理单个对象和组合对象。这样&#xff0c;可以在不知道对象具体类型的条…
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K8S容器实例Pod安装curl-vim-telnet工具

K8S容器实例Pod安装curl-vim-telnet工具

在没有域名的情况下&#xff0c;有时候需要调试接口等需要此工具 安装curl、telnet、vim等 直接使用 apk add curlapk add vimapk add tennet
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裸土检测算法实际应用、裸土覆盖检测算法、裸土检测算法

裸土检测算法实际应用、裸土覆盖检测算法、裸土检测算法

裸土检测算法主要用于环境保护、农业管理、城市规划和土地管理等领域&#xff0c;通过图像识别技术来检测和识别地表上的裸露土壤。这种技术可以帮助管理者实时监控裸土面积&#xff0c;及时采取措施&#xff0c;防止水土流失、环境污染和生态退化。 一、技术实现 裸土检测算…
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内核驱动开发之系统移植

内核驱动开发之系统移植

系统移植 系统移植&#xff1a;定制linux操作系统 系统移植是驱动开发的前导&#xff0c;驱动开发是系统运行起来之后&#xff0c;在内核中新增一些子功能而已 系统移植就四个部分&#xff1a; 交叉编译环境搭建好bootloader的选择和移植&#xff1a;BootLoader有一些很成熟…
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Linux-DHCP服务器搭建

Linux-DHCP服务器搭建

环境 服务端&#xff1a;192.168.85.136 客户端&#xff1a;192.168.85.138 1. DHCP工作原理 DHCP动态分配IP地址。 2. DHCP服务器安装 2.1前提准备 # systemctl disable --now firewalld // 关闭firewalld自启动 # setenforce 0 # vim /etc/selinux/config SELINU…
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如何在精益六西格玛项目实践中激励小组成员保持积极性？

如何在精益六西格玛项目实践中激励小组成员保持积极性？

在精益六西格玛项目实践中&#xff0c;激励小组成员保持积极性是推动项目成功与持续改进的关键因素。精益六西格玛作为一种集精益生产与六西格玛管理精髓于一体的管理模式&#xff0c;旨在通过流程优化、质量提升及成本降低&#xff0c;实现企业的卓越绩效。然而&#xff0c;这…
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Linux自主学习篇

Linux自主学习篇

用户及权限管理 sudo 是 "superuser do" 的缩写&#xff0c;是一个在类 Unix 操作系统&#xff08;如 Linux 和 macOS&#xff09;中使用的命令。它允许普通用户以超级用户&#xff08;root 用户&#xff09;的身份执行命令&#xff0c;从而获得更高的权限。 useradd…
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网络资源模板--Android Studio 垃圾分类App

网络资源模板--Android Studio 垃圾分类App

目录 一、项目演示 二、项目测试环境 三、项目详情 四、完整的项目源码 一、项目演示 网络资源模板--垃圾分类App 二、项目测试环境 三、项目详情 登陆注册 设置点击监听器&#xff1a;当用户点击注册按钮时触发事件。获取用户输入&#xff1a;从输入框获取用户名和密码&a…
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HarmonyOS鸿蒙开发实战（5.0）自定义全局弹窗实践

HarmonyOS鸿蒙开发实战（5.0）自定义全局弹窗实践

鸿蒙HarmonyOS开发实战往期文章必看&#xff1a; HarmonyOS NEXT应用开发性能实践总结 最新版&#xff01;“非常详细的” 鸿蒙HarmonyOS Next应用开发学习路线&#xff01;&#xff08;从零基础入门到精通&#xff09; 非常详细的” 鸿蒙HarmonyOS Next应用开发学习路线&am…
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Docker：解决开发运维问题的开源容器化平台

Docker：解决开发运维问题的开源容器化平台

云计算de小白 Docker是一个开源的容器化平台&#xff0c;可以将应用程序及其依赖的环境打包成轻量级、可移植的容器。 Docker为什么这么受欢迎呢?原因很简单&#xff1a;Docker可以解决不同环境一致运行的问题&#xff0c;而且占用资源少&#xff0c;速度快。 所以好的东西…
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C++速通LeetCode中等第2题-最长连续序列

C++速通LeetCode中等第2题-最长连续序列

方法一&#xff0c;排序后遍历&#xff0c;后减前1&#xff0c;计数&#xff0c; 相等跳过&#xff0c;后减前&#xff01;1就保存。 class Solution { public:int longestConsecutive(vector<int>& nums) {vector<int> ans;int count 1;sort(nums.begin(),n…
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ER论文阅读-Decoupled Multimodal Distilling for Emotion Recognition

ER论文阅读-Decoupled Multimodal Distilling for Emotion Recognition

基本介绍&#xff1a;CVPR, 2023, CCF-A 原文链接&#xff1a;https://openaccess.thecvf.com/content/CVPR2023/papers/Li_Decoupled_Multimodal_Distilling_for_Emotion_Recognition_CVPR_2023_paper.pdf Abstract 多模态情感识别&#xff08;MER&#xff09;旨在通过语言、…
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媒体动态：播客增长的重大转变、社交媒体创新和搜索动态

媒体动态：播客增长的重大转变、社交媒体创新和搜索动态

关键亮点&#xff1a; 关键亮点&#xff1a; 电视和音频&#xff1a;播客继续迅速增长&#xff0c;但主要由少数几档节目驱动。付费社交&#xff1a;Meta在最新的一次成功财报电话会议后继续加倍推进AI进展&#xff0c;X起诉GARM和广告商反垄断&#xff0c;Snap的订阅计划继续…
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Kubernetes调度单位Pod

Kubernetes调度单位Pod

Kubernetes调度单位Pod 1 Pod简介 不直接操作容器container。 一个 pod 可包含一或多个容器&#xff08;container&#xff09;&#xff0c;它们共享一个 namespace&#xff08;用户&#xff0c;网络&#xff0c;存储等&#xff09;&#xff0c;其中进程之间通过 localhost 本地…
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