スキップリストのJava実装の共有例

この記事では、主に Java プログラミングにおけるジャンプ テーブルの概念と実装原理を紹介し、その構造について簡単に説明します。これには一定の参考値があり、必要な友人がそれについて学ぶことができます。

スキップ リンク リストは、並列リンク リストに基づくランダム化されたデータ構造であり、その効率は二分探索ツリーに匹敵し (ほとんどの操作に平均 O(log n) 時間がかかります)、同時アルゴリズムに適しています。

基本的に、ジャンプ リストは、順序付きリンク リストに順方向リンクを追加します。追加はランダムな方法で実行されるため、リスト内の検索でリストの一部をすばやくスキップできます (そのため、この名前が付けられています)。すべての操作は対数的にランダム化された時間で実行されました。

実装原理:

ジャンプテーブルの構造は次のとおりです: 最下位層に 10 個のノードがある場合、理論的には最下位層の上位層には 5 つのノードがあり、上位層には 2 つまたは 3 つのノードがあります。理論上、次の上位レベルには理論上 1 つのノードがあります。したがって、ここから、各層のノードの数は次の層の要素の 1/2 であることがわかります。ここから、挿入時に上の層の要素数が次の層の要素数の 1/2 であることを保証する限り、ジャンプ リストは理想的なジャンプ リストになることがわかります。では、挿入時に上位要素の数が下位要素の数の 1/2 になるようにするにはどうすればよいでしょうか?コインを投げるだけで解けます。 1/2 の確率で次に低いレベルにコインを投げます。表は挿入されますが、裏は挿入されません。最低レベルでは、挿入の確率はまだ 1/2 なので、コインを投げ続けます。類推すると、素数 X が n 番目の層に挿入される確率は (1/2) n 回です。このようにして、ジャンプ リストに要素を挿入できます。

私がテーブルをスキップするデータ構造について初めて学んだのは約 1 年前でした (これを言ったとき、おそらく無数の同胞に軽蔑されたでしょう)が、それを実装する方法がわかりませんでした。その時に一番印象に残ったのは、「スキップリスト - 実装（Java）」の記事でした。この記事のスキップリストの実装方法が一番分かりやすかったので、この記事で初めてスキップリストについて知りました。 , したがって、ここでこの記事の所有者に本当に感謝したいと思います。 1 年後、時計ジャンプについての理解が再び曖昧になっていることがわかり、最初にこの記事が頭に浮かびました。今日この記事を読み直して、そこに記載されていない削除方法を実行しました。また、ジェネリックスを追加しましたが、ジェネリックスは値にジェネリックスのみを使用し、キーには依然として元のテキストの String 型を使用します。したがって、まだ比較的単純で制限されています。これを投稿する理由は、スキップ リストについての理解を深め、リマインダーとして機能するためです。元の記事へのリンクは前述の通り、元の記事の著者が誰であるかは実は知りませんので、黙って感謝を申し上げたいと思います。もちろん、元の投稿者が私が攻撃的または侵害的なことをしたと感じた場合は、投稿をすぐに削除します。

スキップテーブルの定義と紹介については、原文を参照してください。元のコードをここに直接示します。ここでの元のコードと元のテキストの唯一の違いは、ここでは、元のテキストでは指定されていない削除方法を指定していることです (元のテキストは実際には英語の記事を参照しています)。英語の記事では削除方法を発見できませんでしたが、英語の記事と比べるとコードが若干冗長になっていますが、ここで掲載している削除方法は私自身が実装したものです。実装が甘いかもしれないので、批判や修正もお願いします！ ！ ！

1 スキップ リストの各要素 (キーと値のペア) のカプセル化クラス SkipListEntry.java

public class SkipListEntry<v>
{
 public String key;
 public V value;
 public int pos; // 主要为了打印 链表用
 public SkipListEntry<v deep="6"> up, down, left, right; // 上下左右 四个指针
 public static String negInf = new String("-oo"); // 负无穷
 public static String posInf = new String("+oo"); // 正无穷
 public SkipListEntry(String k, V v)
 {
  key = k;
  value = v;
  up = down = left = right = null;
 }
 public V getValue()
 {
  return value;
 }
 public String getKey()
 {
  return key;
 }
 public V setValue(V val)
 {
  V oldValue = value;
  value = val;
  return oldValue;
 }
 @SuppressWarnings("unchecked")
 public boolean equals(Object o)
 {
  SkipListEntry<v> entry;
  try
  {
   entry = (SkipListEntry<v>) o; // 检测类型
  } catch (ClassCastException ex)
  {
   return false;
  }
  return (entry.getKey() == key) && (entry.getValue().equals(value));
 }
 public String toString()
 {
  return "(" + key + "," + value + ")";
 }
}

2 スキップ リストの特定の実装 (追加、削除、変更、チェックを含む)

import java.util.Random;
/**
 * 跳表的一种简单实现。key只能为字符串类型，value可以为任意对象类型
 * @param <v>
 * @author xxx 2017年2月14日 下午9:42:06
 * @version v1.0
 */
public class SkipList<v>
{
 public SkipListEntry<v> head; // 顶层的第一个元素
 public SkipListEntry<v> tail; // 顶层的最后一个元素
 public int size; // 跳跃表中的元素个数
 public int height; // 跳跃表的高度
 public Random flag; // 投掷硬币
 /**
  * 默认构造函数
  * @author xxx 2017年2月14日 下午9:32:22
  * @since v1.0
  */
 public SkipList() 
 {
  head = new SkipListEntry<v>(SkipListEntry.negInf, null);
  tail = new SkipListEntry<v>(SkipListEntry.posInf, null);
  head.right = tail;
  tail.left = head;
  size = 0;
  height = 0;
  flag = new Random();
 }
 /**
  * 返回元素的个数
  * @return
  * @author xxx 2017年2月14日 下午9:35:22
  * @since v1.0
  */
 public int size()
 {
  return size;
 }
  /**
  * 判断跳表中的元素个数是否为零
  * @return
  * @author xxx 2017年2月14日 下午9:35:52
  * @since v1.0
  */
 public boolean isEmpty()
 {
  return (size == 0);
 }
 /**
  * 从最顶层的第一个元素，也即head元素开始查找，直到找到第0层、要插入的位置前面的那个key
  * @param k
  * @return
  * @author xxx 2017年2月14日 下午9:42:12
  * @since v1.0
  */
 private SkipListEntry<v> findEntry(String k)
 {
  SkipListEntry<v> p = head;
  while (true)
  {
   /*
    * 一直向右找，例: k=34。 10 ---> 20 ---> 30 ---> 40 ^ | p 会在30处停止
    */
   while (p.right.key != SkipListEntry.posInf && p.right.key.compareTo(k) <= 0)
   {
    p = p.right;
   }
   // 如果还有下一层，就到下一层继续查找
   if (p.down != null)
   {
    p = p.down;
   } else
   {
    break; // 到了最下面一层 就停止查找
   }
  }
  return p; // p.key <= k
 }
 /** 返回和key绑定的值 */
 public V get(String k)
 {
  SkipListEntry<v> p = findEntry(k);
 
  if (k.equals(p.getKey()))
  {
   return p.value;
  } else
  {
   return null;
  }
 }
 /**
  * 往跳表中插入一个键值对，如果键已经存在，则覆盖相应的值并返回旧值
  * @param k
  * @param v
  * @return
  * @author xxx 2017年2月14日 下午9:48:54
  * @since v1.0
  */
 public V put(String k, V v)
 {
  System.out.println("-----插入[" + k + "]之前的跳跃表是:-----");
  printHorizontal();
 
  SkipListEntry<v> p, q;
 
  p = findEntry(k);
 
  if (k.equals(p.getKey()))
  {
   V old = p.value;
   p.value = v;
   return old;
  }
  q = new SkipListEntry<v>(k, v);
  q.left = p;
  q.right = p.right;
  p.right.left = q;
  p.right = q;
  int currentLevel = 0; // 当前层 currentLevel = 0
  // 随机值小于0.5，则插入的键值对对应的键需要在上一层建立关联，同时有可能增加跳表的高度
  while (flag.nextDouble() < 0.5)
  {
   // 如果超出了高度，需要重新建一个顶层
   if (currentLevel >= height)
   {
    SkipListEntry<v> p1, p2;
    height = height + 1;
    p1 = new SkipListEntry<v>(SkipListEntry.negInf, null);
    p2 = new SkipListEntry<v>(SkipListEntry.posInf, null);
    p1.right = p2;
    p1.down = head;
    p2.left = p1;
    p2.down = tail;
    head.up = p1;
    tail.up = p2;
    head = p1;
    tail = p2;
   }
   while (p.up == null)
   {
    p = p.left;
   }
   p = p.up;
 
   SkipListEntry<v> e;
   /*
    * 注意，本实现中只有第0层的链表持有键对应的值，1 ~ height 层中的SkipListEntry对象
    * 仅仅持有键的引用，值为空，以便节省空间。
    */
   e = new SkipListEntry<v>(k, null);
   e.left = p;
   e.right = p.right;
   e.down = q;
   p.right.left = e;
   p.right = e;
   q.up = e;
 
   q = e; // q 进行下一层迭代
   currentLevel = currentLevel + 1; // 当前层 +1
  }
  // 插入一个键值对后总数加1
  size = size + 1;
 
  System.out.println("-----插入[" + k + "]之后的跳跃表是:-----");
  printHorizontal();
  return null;
 }
 /**
  * 根据键删除键值对
  * @param key
  * @return
  * @author xxx 2017年2月14日 下午10:08:17
  * @since v1.0
  */
 public void remove(String key)
 {
  SkipListEntry<v> p = findEntry(key);
 
  if(!p.getKey().equals(key)) {
   return;
  }
  //删除元素后重新关联，同时使被删除的对象游离，便于垃圾回收
  p.left.right = p.right;
  p.right.left = p.left;
  p.right = null;
  p.left = null;
  //自底向上，使所有键等于key的SkipListEntry对象左右两个方向的引用置空
  while(p.up != null) {
   p = p.up;
   p.left.right = p.right;
   p.right.left = p.left;
   p.right = null;
   p.left = null;
  }
  //自顶向下，使所有键等于key的SkipListEntry对象上下两个方向的引用置空
  while(p.down != null) {
   SkipListEntry<v> temp = p.down;
   p.down = null;
   temp.up = null;
   p = temp;
  }
  /*
   * 删除元素后，如果顶层的链表只有head和tail两个元素，则删除顶层。
   * 删除顶层以后最新的顶层如果依然只有head和tail两个元素，则也要被删除，以此类推。
   */
  while(head.right.key == tail.key && height > 0) {
   SkipListEntry<v> p1, p2;
   p1 = head.down;
   p2 = tail.down;
   head.right = null;
   head.down = null;
   tail.left = null;
   tail.down = null;
   p1.up = null;
   p2.up = null;
   head = p1;
   tail = p2;
   height = height - 1;
  }
  //成功移除一个元素，大小减1
  size = size - 1;
  System.out.println("-----删除[" + key + "]后的跳跃表是:-----");
  printHorizontal();
 }
 /**
  * 打印出跳表的图示结构(水平方向)
  * @author xxx 2017年2月14日 下午10:35:36
  * @since v1.0
  */
 public void printHorizontal()
 {
  String s = "";
  int i;
  SkipListEntry<v> p;
  p = head;
  while (p.down != null)
  {
   p = p.down;
  }
  i = 0;
  while (p != null)
  {
   p.pos = i++;
   p = p.right;
  }
  p = head;
  while (p != null)
  {
   s = getOneRow(p);
   System.out.println(s);
   p = p.down;
  }
 }
 private String getOneRow(SkipListEntry<v> p)
 {
  String s;
  int a, b, i;
  a = 0;
  s = "" + p.key;
  p = p.right;
  while (p != null)
  {
   SkipListEntry<v> q;
   q = p;
   while (q.down != null)
    q = q.down;
   b = q.pos;
   s = s + " <-";
   for (i = a + 1; i < b; i++)
    s = s + "--------";
   s = s + "> " + p.key;
   a = b;
   p = p.right;
  }
  return s;
 }
 /**
  * 打印出跳表的图示结构(垂直方向)
  * @author xxx 2017年2月14日 下午10:35:36
  * @since v1.0
  */
 public void printVertical()
 {
  String s = "";
  SkipListEntry<v> p;
  p = head;
  while (p.down != null)
   p = p.down;
  while (p != null)
  {
   s = getOneColumn(p);
   System.out.println(s);
   p = p.right;
  }
 }
 private String getOneColumn(SkipListEntry<v> p)
 {
  String s = "";
  while (p != null)
  {
   s = s + " " + p.key;
   p = p.up;
  }
  return (s);
 }
}

3 テスト

public class Test
{
 public static void main(String[] args)
 {
  SkipList<String> s = new SkipList<String>();
  s.put("ABC", "");
  s.put("DEF", "");
  s.put("KLM", "");
  s.put("HIJ", "");
  s.put("GHJ", "");
  s.put("AAA", "");
  s.remove("ABC");
  s.remove("DEF");
  s.remove("KLM");
  s.remove("HIJ");
  s.remove("GHJ");
  s.remove("AAA");
  s.put("ABC", "");
  s.put("DEF", "");
  s.put("KLM", "");
  s.put("HIJ", "");
  s.put("GHJ", "");
  s.put("AAA", "");
 }
}
//运行测试后结果示例如下（注意：由于跳表的特性，每次运行结果都不一样）

-----插入[ABC]之前的跳跃表是:-----
-oo <-> +oo
-----插入[ABC]之后的跳跃表是:-----
-oo <-> ABC <-> +oo
-oo <-> ABC <-> +oo
-----插入[DEF]之前的跳跃表是:-----
-oo <-> ABC <-> +oo
-oo <-> ABC <-> +oo
-----插入[DEF]之后的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> +oo
-----插入[KLM]之前的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> +oo
-----插入[KLM]之后的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> KLM <-> +oo
-----插入[HIJ]之前的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> KLM <-> +oo
-----插入[HIJ]之后的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[GHJ]之前的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[GHJ]之后的跳跃表是:-----
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[AAA]之前的跳跃表是:-----
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[AAA]之后的跳跃表是:-----
-oo <-------------------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-------------------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-------------------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-------------------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-------------------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-> AAA <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-> AAA <---------> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> AAA <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> AAA <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----删除[ABC]后的跳跃表是:-----
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-----------------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-> AAA <---------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-> AAA <-> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> AAA <-> DEF <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> AAA <-> DEF <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----删除[DEF]后的跳跃表是:-----
-oo <---------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <---------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <---------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <---------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <---------> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <-----------------> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <---------> KLM <-> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----删除[KLM]后的跳跃表是:-----
-oo <---------> GHJ <---------> +oo
-oo <---------> GHJ <---------> +oo
-oo <---------> GHJ <---------> +oo
-oo <---------> GHJ <---------> +oo
-oo <---------> GHJ <---------> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <---------> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <---------> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <---------> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <-> HIJ <-> +oo
-----删除[HIJ]后的跳跃表是:-----
-oo <---------> GHJ <-> +oo
-oo <---------> GHJ <-> +oo
-oo <---------> GHJ <-> +oo
-oo <---------> GHJ <-> +oo
-oo <---------> GHJ <-> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <-> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <-> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <-> +oo
-oo <-> AAA <-> GHJ <-> +oo
-----删除[GHJ]后的跳跃表是:-----
-oo <-> AAA <-> +oo
-oo <-> AAA <-> +oo
-oo <-> AAA <-> +oo
-oo <-> AAA <-> +oo
-----删除[AAA]后的跳跃表是:-----
-oo <-> +oo
-----插入[ABC]之前的跳跃表是:-----
-oo <-> +oo
-----插入[ABC]之后的跳跃表是:-----
-oo <-> ABC <-> +oo
-----插入[DEF]之前的跳跃表是:-----
-oo <-> ABC <-> +oo
-----插入[DEF]之后的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> +oo
-----插入[KLM]之前的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <---------> DEF <-> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> +oo
-----插入[KLM]之后的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> KLM <-> +oo
-----插入[HIJ]之前的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> KLM <-> +oo
-----插入[HIJ]之后的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-> HIJ <---------> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[GHJ]之前的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-----------------> +oo
-oo <---------> DEF <-> HIJ <---------> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[GHJ]之后的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <---------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <---------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> HIJ <---------> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[AAA]之前的跳跃表是:-----
-oo <---------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <---------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <---------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <---------> DEF <---------> HIJ <---------> +oo
-oo <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo
-----插入[AAA]之后的跳跃表是:-----
-oo <-----------------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <-----------------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <-----------------> DEF <-------------------------> +oo
-oo <-----------------> DEF <---------> HIJ <---------> +oo
-oo <-> AAA <-> ABC <-> DEF <-> GHJ <-> HIJ <-> KLM <-> +oo

まとめ

以上がスキップリストのJava実装の共有例の詳細内容です。詳細については、PHP 中国語 Web サイトの他の関連記事を参照してください。