跳跃表之java实现

跳跃表是一种特殊的单向有序链表，redis中zset在数据量大时就采用了这种数据结构。

添加，删除，查询的时间复杂度都为O(logn)

package algorithm.array_linked;import lombok.Data;import java.util.*;/*** @Author: M˚Haonan* @Date: 2022/1/20 10:54* @Description: 跳表* 跳跃表是一种特殊的有序链表,利用空间换时间，通过多层索引加快链表的检索速度** 设计上，采用了一种技巧，每一层都有一个空的哨兵节点，next为实际的元素或索引，down为下一层的哨兵节点。* 这样设计的好处是，当某个节点的level超过当前的totalLevel需要升一层时，前驱节点可以方便的指定为哨兵节点，直接在哨兵节点的next插入即可* indexHead指向最顶层的哨兵节点** 为了简化，本skipList中不支持重复元素，即score都不相同*/
@Data
public class SkipList<E> {//指向最高层索引链表的头节点,由于每层都有一个空的头结点null，因此这个指向最高层的nullprivate SkipNode<E> indexHead = new SkipNode<>(null, 0);private SkipNode<E> head = new SkipNode<>(null, Integer.MIN_VALUE);//一共的层级，包括数据链表层private int totalLevel;//限制跳跃表的最大层级private int maxLevel;//初始化层数private int initLevel;//计算节点是否需要上移一层private Random random = new Random();@Datastatic class SkipNode<E> {//下一个节点，如果该节点是索引节点，指向下一个索引节点private SkipNode<E> next;//如果该节点是索引节点，指向下一层原始节点private SkipNode<E> down;//得分，用来排序private int score;//存储的数据private E data;public SkipNode(E data, int score){this.data = data;this.score = score;}@Overridepublic String toString() {return "SkipNode{" +"score=" + score +'}';}}public SkipList(int initLevel, int maxLevel) {this.maxLevel = maxLevel;this.initLevel = initLevel;//初始化每一层的头节点，这里初始化完后，数据结构如下/*indexHead -> guard(null)guard(null)guard(null)*/SkipNode<E> curr = new SkipNode<>(null, Integer.MIN_VALUE);head.next = curr;for (int i = 1; i < initLevel; i++) {curr = createIndexNode(curr);}indexHead.next = curr;}/*** 利用抛硬币的方式，获取当前节点的层数，不超过最大level* @return*/private int getLevel() {int level = 1;while (random.nextInt(2) == 0 && level <= maxLevel) {level ++;}return level;}/*** 为当前节点创建下一层索引节点* @param node* @return*/private SkipNode<E> createIndexNode(SkipNode<E> node) {//得分相同SkipNode<E> indexNode = new SkipNode<>(null, node.getScore());//索引节点的下一层为传入的节点indexNode.down = node;return indexNode;}/*** 添加节点* @param node*/public void add(SkipNode<E> node) {SkipNode<E> curr = indexHead.next;//保存每层当前节点的prev，便于回溯时添加索引节点//下面整个while循环就是为了给这个list添加元素，获取插入的位置。由于往下层走的时候，此层要么走完，要么下一个节点的score大于要插入的节点//因此，当前位置一定是需要插入的位置，记录此时的prevList<SkipNode<E>> prevList = new ArrayList<>();while (curr != null) {if (curr.next == null) {//说明当前层走到尽头了，把curr指针往下层移动，并且需要记录当前层的prev节点到list中SkipNode<E> prev = curr;prevList.add(prev);curr = curr.down;continue;}while (curr.next != null && curr.next.score < node.score) {//当 当前score小于node时，需要继续往右寻找curr = curr.next;}if (curr.score < node.score) {//这种情况说明要么下一个节点是null，要么下一个节点的score>node.score，此时需要往下走，和上面一样，保存当前层的前驱节点SkipNode<E> prev = curr;prevList.add(prev);curr = curr.down;continue;}}//循环走完以后，说明已经找到了每一层的插入位置，从下往上依次插入每一层的节点//按层级从下往上插入节点SkipNode<E> last = node;int level = getLevel();int allowLevel = Math.min(level, maxLevel);//代表此时最顶端左边的节点,这个变量的作用是，当插入节点的level大于当前最高level时，需要往上插入一个哨兵节点，把节点索引插入哨兵节点之后SkipNode<E> top = indexHead.next;for (int i = 1; i <= allowLevel; i++) {int index = prevList.size() - i;if (index >= 0) {//说明有prev节点,只需要在prev节点之后插入即可SkipNode<E> prev = prevList.get(index);last.next = prev.next;prev.next = last;last = createIndexNode(last);}else {//说明level已经超过当前的totalLevel，需要往上新插入哨兵节点和索引节点SkipNode<E> temp = new SkipNode<>(null, Integer.MIN_VALUE);temp.next = last;temp.down = top;top = temp;last = createIndexNode(last);indexHead.next = temp;}}//更新最大层级totalLevel = Math.max(totalLevel, allowLevel);}/*** 检索指定score的节点* @param score*/public E search(int score) {SkipNode<E> curr = indexHead.next;while (curr != null) {if (curr.next == null) {curr = curr.down;continue;}while (curr.next != null && curr.next.score <= score) {curr = curr.next;}if (curr.score == score) {break;}curr = curr.down;}if (curr == null) {return null;}while (curr.down != null) {curr = curr.down;}return curr.data;}@Overridepublic String toString() {return "SkipList{" +"totalLevel=" + totalLevel +'}';}public String print() {SkipNode<E> currHead = indexHead.next;int i = 0;while (currHead != null){int curr = Math.max(initLevel, totalLevel) - i;SkipNode<E> node = currHead.next;System.out.println("第" + curr + "层数据如下:");i++;while (node != null) {System.out.print(node.getData() + ": score = " + node.score + "\t");node = node.next;}currHead = currHead.down;System.out.println("--------------------------------");}return "";}public String print2() {SkipNode<E> curr = head.next;while (curr != null) {System.out.print(curr.getData() + "\t");curr = curr.next;}return "";}public static void main(String[] args) {//        SkipList<Integer> skipList = new SkipList<>(4, 20);
//        long start = System.currentTimeMillis();
//        int num = 2000000;
//        for (int i = 0; i < num; i++) {//            skipList.add(new SkipNode<>(i, i));
//        }
//        System.out.println(skipList.getTotalLevel());
//        //添加10w个元素耗时:33
//        System.out.println("添加" + num + "个元素耗时:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
//        //检索速度
//        start = System.currentTimeMillis();
//        System.out.println(skipList.search(567));
//        System.out.println(num + "个元素查询耗时:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
//        System.out.println(skipList.print());test1();}public static void test1() {SkipList<Integer> skipList = new SkipList<>(4, 20);Random random = new Random();long start = System.currentTimeMillis();int num = 1000000;Set<Integer> nums = new HashSet<>();for (int i = 0; i < num; i++) {int curr;do {curr = random.nextInt(10000000);} while (!nums.add(curr));skipList.add(new SkipNode<>(curr, curr));}skipList.add(new SkipNode<>(124214, 124214));num = nums.size();System.out.println(skipList.getTotalLevel());//添加1000000个元素耗时:1326msSystem.out.println("添加" + num + "个元素耗时:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");//检索速度 0msstart = System.currentTimeMillis();System.out.println(skipList.search(124214));System.out.println(num + "个元素查询耗时:" + (System.currentTimeMillis() - start) + "ms");
//        skipList.print();}
}

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