这是跳表的作者,上面介绍的William Pugh给出的解释:

Skip lists are a data structure that can be used in place of balanced trees. Skip lists use probabilistic balancing rather than strictly enforced balancing and as a result the algorithms for insertion and deletion in skip lists are much simpler and significantly faster than equivalent algorithms for balanced trees.

跳表是平衡树的一种替代的数据结构,但是和红黑树不相同的是,跳表对于树的平衡的实现是基于一种随机化的算法的,这样也就是说跳表的插入和删除的工作是比较简单的。

下面来研究一下跳表的核心思想:

先从链表开始,如果是一个简单的链表,那么我们知道在链表中查找一个元素I的话,需要将整个链表遍历一次。

跳表SkipList_数据结构与算法

 

 如果是说链表是排序的,并且节点中还存储了指向前面第二个节点的指针的话,那么在查找一个节点时,仅仅需要遍历N/2个节点即可。

跳表SkipList_数据结构与算法_02

 

这基本上就是跳表的核心思想,其实也是一种通过“空间来换取时间”的一个算法,通过在每个节点中增加了向前的指针,从而提升查找的效率。

<3>.跳表的数据存储模型 

 我们定义:

如果一个基点存在k个向前的指针的话,那么陈该节点是k层的节点。

一个跳表的层MaxLevel义为跳表中所有节点中最大的层数。

下面给出一个完整的跳表的图示:

跳表SkipList_c#_03

 

 那么我们该如何将该数据结构使用二进制存储呢?通过上面的跳表的很容易设计这样的数据结构:

定义每个节点类型:


// 这里仅仅是一个指针 
  
   

    typedef struct nodeStructure *node; 
  
   
typedef struct nodeStructure
  

    { 
  
   

        keyType key;// key值 
  
   

        valueType value;// value值 
  
   

        // 向前指针数组,根据该节点层数的 
  
   

        // 不同指向不同大小的数组 
  
   

        node forward[1]; 
  
   

    };

 

跳表SkipList_数据结构_04

上面的每个结构体对应着图中的每个节点,如果一个节点是一层的节点的话(如7,12等节点),那么对应的forward将指向一个只含一个元素的数组,以此类推。

 定义跳表数据类型:


// 定义跳表数据类型


typedef struct listStructure{


   int level;  /* Maximum level of the list 


(1 more than the number of levels in the list) */


   struct nodeStructure * header; /* pointer to header */


   } * list; 

跳表数据类型中包含了维护跳表的必要信息,level表明跳表的层数,header如下所示:

 

跳表SkipList_数据结构与算法_05

定义辅助变量:

定义上图中的NIL变量:node NIL;


#define MaxNumberOfLevels 16


#define MaxLevel (MaxNumberOfLevels-1) 

定义辅助方法:

 


// newNodeOfLevel生成一个nodeStructure结构体,同时生成l个node *数组指针


#define newNodeOfLevel(l) (node)malloc(sizeof(struct nodeStructure)+(l)*sizeof(node *))


好的基本的数据结构定义已经完成,接下来来分析对于跳表的一个操作。 


<4>. 跳表的代码实现分析 

4.1 初始化

初始化的过程很简单,仅仅是生成下图中红线区域内的部分,也就是跳表的基础结构:

跳表SkipList_数组_06

 

list newList()


{


  list l;


  int i;


  // 申请list类型大小的内存


  l = (list)malloc(sizeof(struct listStructure));


  // 设置跳表的层level,初始的层为0层(数组从0开始)


  l->level = 0;


  


  // 生成header部分


  l->header = newNodeOfLevel(MaxNumberOfLevels);


  // 将header的forward数组清空


  for(i=0;i<MaxNumberOfLevels;i++) l->header->forward[i] = NIL;


  return(l);


};  

4.2 插入操作

由于跳表数据结构整体上是有序的,所以在插入时,需要首先查找到合适的位置,然后就是修改指针(和链表中操作类似),然后更新跳表的level变量。

跳表SkipList_链表_07

 

boolean insert(l,key,value) 


register list l;


register keyType key;


register valueType value;


{


  register int k;


  // 使用了update数组


  node update[MaxNumberOfLevels];


  register node p,q;


 


  p = l->header;


  k = l->level;


  /*******************1步*********************/


  do {


// 查找插入位置


while (q = p->forward[k], q->key < key)


p = q;


 


// 设置update数组


update[k] = p;


} while(--k>=0);// 对于每一层进行遍历


 


// 这里已经查找到了合适的位置,并且update数组已经


// 填充好了元素


   if (q->key == key)


   {


     q->value = value;


  return(false);


  };


 


  // 随机生成一个层数


   k = randomLevel();  


 if (k>l->level) 


  {


  // 如果新生成的层数比跳表的层数大的话


    // 增加整个跳表的层数


k = ++l->level;


// 在update数组中将新添加的层指向l->header


update[k] = l->header;


  };


 


  /*******************2步*********************/


  // 生成层数个节点数目


  q = newNodeOfLevel(k);


  q->key = key;


  q->value = value;


      


  // 更新两个指针域


  do 


  {


p = update[k];


q->forward[k] = p->forward[k];


p->forward[k] = q;


} while(--k>=0);


 


// 如果程序运行到这里,程序已经插入了该节点


 


  return(true);


4.3 删除某个节点

和插入是相同的,首先查找需要删除的节点,如果找到了该节点的话,那么只需要更新指针域,如果跳表的level需要更新的话,进行更新。

跳表SkipList_c#_08

 

boolean delete(l,key) 


register list l;


register keyType key;


{


  register int k,m;


  // 生成一个辅助数组update


  node update[MaxNumberOfLevels];


  register node p,q;


 


  p = l->header;


  k = m = l->level;


  // 这里和查找部分类似,最终update中包含的是:


  // 指向该节点对应层的前驱节点


  do 


  {


while (q = p->forward[k], q->key < key) 


p = q;


update[k] = p;


} while(--k>=0);


 


// 如果找到了该节点,才进行删除的动作


  if (q->key == key) 


  {


  // 指针运算


for(k=0; k<=m && (p=update[k])->forward[k] == q; k++) 


// 这里可能修改l->header->forward数组的值的 


 p->forward[k] = q->forward[k];


// 释放实际内存


free(q);


 


// 如果删除的是最大层的节点,那么需要重新维护跳表的


// 层数level


   while( l->header->forward[m] == NIL && m > 0 )


    m--;


l->level = m;


return(true);


}


  else


  // 没有找到该节点,不进行删除动作 


  return(false);


4.4 查找

查找操作其实已经在插入和删除过程中包含,比较简单,可以参考源代码。 

<5>. 论文,代码下载及参考资料 

SkipList论文

/Files/xuqiang/skipLists.rar 

 

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增加跳表c#实现代码 2011-5-29下午 

上面给出的数据结构的模型是直接按照跳表的模型得到的,另外还有一种数据结构的模型:

跳表节点类型,每个跳表类型中仅仅存储了左侧的节点和下面的节点:

跳表SkipList_链表_09

 

我们现在来看对于这种模型的操作代码:

1. 初始化完成了如下的操作:

跳表SkipList_数据结构与算法_10

 

2. 插入操作:和上面介绍的插入操作是类似的,首先查找到插入的位置,生成update数组,然后随机生成一个level,然后修改指针。

3. 删除操作:和上面介绍的删除操作是类似的,查找到需要删除的节点,如果查找不到,抛出异常,如果查找到的需要删除的节点的话,修改指针,释放删除节点的内存。