跳表(Skip List)是一种基于链表的动态数据结构,用于实现高效的查找、插入和删除操作。它通过引入多级索引来加速查找过程,类似于多级索引的有序链表。跳表的平均时间复杂度为 O(logn),在某些场景下可以替代平衡树。
以下是跳表的基本实现思路和一个简单的 C 语言实现示例。
1. 跳表的基本概念
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节点结构:每个节点包含一个值和多个指向不同层级的指针。
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层级:每个节点的层级是随机的,通常通过抛硬币的方式决定。层级越高,索引的作用越强。
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头节点:跳表的入口,包含指向各级索引的指针。
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尾节点(可选):用于快速判断是否到达链表末尾。
2. 跳表的关键操作
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查找:从最高层开始,逐层向下查找,直到找到目标值或到达底层。
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插入:找到插入位置后,随机生成节点的层级,并更新指针。
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删除:找到目标节点后,更新相关指针,并释放节点。
3. C语言实现
以下是一个简单的跳表实现,支持查找、插入和删除操作:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#define MAX_LEVEL 16 // 最大层级
#define PROBABILITY 0.5 // 随机层级的概率
typedef struct SkipListNode {
int value;
struct SkipListNode* next[MAX_LEVEL];
} SkipListNode;
typedef struct SkipList {
SkipListNode* head;
int level;
} SkipList;
// 创建新节点
SkipListNode* createNode(int value, int level) {
SkipListNode* node = (SkipListNode*)malloc(sizeof(SkipListNode));
node->value = value;
for (int i = 0; i < level; i++) {
node->next[i] = NULL;
}
return node;
}
// 创建跳表
SkipList* createSkipList() {
SkipList* list = (SkipList*)malloc(sizeof(SkipList));
list->head = createNode(-1, MAX_LEVEL); // 创建头节点
list->level = 0;
return list;
}
// 随机生成层级
int randomLevel() {
int level = 1;
while (rand() / (double)RAND_MAX < PROBABILITY && level < MAX_LEVEL) {
level++;
}
return level;
}
// 查找操作
SkipListNode* search(SkipList* list, int value) {
SkipListNode* current = list->head;
for (int i = list->level - 1; i >= 0; i--) {
while (current->next[i] != NULL && current->next[i]->value < value) {
current = current->next[i];
}
}
current = current->next[0];
if (current != NULL && current->value == value) {
return current;
}
return NULL;
}
// 插入操作
void insert(SkipList* list, int value) {
int level = randomLevel();
SkipListNode* newNode = createNode(value, level);
SkipListNode* update[MAX_LEVEL] = {NULL};
SkipListNode* current = list->head;
for (int i = list->level - 1; i >= 0; i--) {
while (current->next[i] != NULL && current->next[i]->value < value) {
current = current->next[i];
}
update[i] = current;
}
for (int i = 0; i < level; i++) {
newNode->next[i] = update[i]->next[i];
update[i]->next[i] = newNode;
}
if (level > list->level) {
for (int i = list->level; i < level; i++) {
list->head->next[i] = newNode;
}
list->level = level;
}
}
// 删除操作
void deleteNode(SkipList* list, int value) {
SkipListNode* update[MAX_LEVEL] = {NULL};
SkipListNode* current = list->head;
for (int i = list->level - 1; i >= 0; i--) {
while (current->next[i] != NULL && current->next[i]->value < value) {
current = current->next[i];
}
update[i] = current;
}
current = current->next[0];
if (current != NULL && current->value == value) {
for (int i = 0; i < list->level; i++) {
if (update[i]->next[i] != current) {
break;
}
update[i]->next[i] = current->next[i];
}
free(current);
while (list->level > 1 && list->head->next[list->level - 1] == NULL) {
list->level--;
}
}
}
// 打印跳表
void printSkipList(SkipList* list) {
for (int i = list->level - 1; i >= 0; i--) {
SkipListNode* current = list->head->next[i];
printf("Level %d: ", i);
while (current != NULL) {
printf("%d ", current->value);
current = current->next[i];
}
printf("\n");
}
}
int main() {
srand(time(NULL));
SkipList* list = createSkipList();
insert(list, 3);
insert(list, 6);
insert(list, 7);
insert(list, 9);
insert(list, 12);
insert(list, 19);
insert(list, 17);
insert(list, 26);
insert(list, 21);
insert(list, 25);
printf("Skip List:\n");
printSkipList(list);
SkipListNode* result = search(list, 19);
if (result != NULL) {
printf("Found %d in the skip list.\n", result->value);
} else {
printf("Value not found.\n");
}
deleteNode(list, 19);
printf("Skip List after deletion:\n");
printSkipList(list);
return 0;
}
4. 代码说明
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节点结构:每个节点包含一个值和一个指向不同层级的指针数组。
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随机层级:通过抛硬币的方式决定节点的层级。
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查找:从最高层开始,逐层向下查找。
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插入:找到插入位置后,随机生成节点的层级,并更新相关指针。
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删除:找到目标节点后,更新相关指针,并释放节点。
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打印:逐层打印跳表的内容,方便观察结构。
5. 运行结果
运行程序后,跳表的结构会以多级索引的形式打印出来,查找、插入和删除操作的结果也会显示。
跳表是一种非常灵活的数据结构,适用于需要高效查找和动态更新的场景。希望这个实现对你有所帮助!