golang 实现跳表

跳表是一种基于链表的数据结构，它通过链表中添加一些额外的指针，使得数据的查找和操作效率相较于普通链表有大幅提升。跳表最初是由William Pugh于1990年提出的，并被广泛应用于数据库、搜索引擎等领域。本文将介绍如何使用Go语言实现跳表数据结构。

一、跳表概述

跳表是一种多级链表结构，每一级链表的数据节点分布在下一级链表的若干个节点中。跳表中的每个节点都有一个包含多个指针的数组，这些指针指向根节点和下一级链表中同一位置的节点。这些指针是随机设置或者按照一定规则设置的，若设置不当则会导致跳表退化成为单链表，因此需要合理设置指针的分布。

跳表支持添加、删除、查找等基本操作，其时间复杂度为O(log n)，与二叉树的时间复杂度相当。由于跳表结构基于链表，因此跳表需要使用一定量的额外存储空间来存储指针信息。

二、跳表实现

首先，我们需要定义跳表的节点结构体：

type skipListNode struct {
    Val       int                            // 节点值
    next      []*skipListNode               // 指向下一层节点的指针数组
}

节点结构体中定义了节点的值和指向下一层节点的指针数组next。下一层节点的数量随机设置，并通过rand.Intn()函数生成。

func newNode(val int, level int) *skipListNode {
    node := &skipListNode{Val: val, next: make([]*skipListNode, level+1)}
    return node
}

func randLevel() int {
    level := 1
    for rand.Float32() < 0.5 {
        level++
    }
    return level
}

在定义完节点结构体和生成随机层数的函数之后，我们可以定义跳表的结构体：

type skipList struct {
    head   []*skipListNode              // 指向跳表头节点的指针数组
    level  int                           // 当前跳表深度
    length int                          // 跳表节点数量
}

跳表结构体中包含了指向跳表头节点的指针数组head、当前跳表深度level和跳表节点数量length。跳表的初始深度为1，添加节点时根据随机数生成的层数来改变深度。

在定义跳表结构体之后，我们可以开始实现跳表的基本操作。首先是插入操作：

func (sl *skipList) insert(val int) {
    level := randLevel()                   // 生成随机层数
    node := newNode(val, level)            // 创建新节点
    update := make([]*skipListNode, level+1) // 用于更新每层跳表的节点指针
    cur := sl.head[sl.level]
    for i := sl.level; i >= 0; i-- {       // 从最高层开始向下查找
        for cur.next[i] != nil && cur.next[i].Val < val { // 查找插入位置
            cur = cur.next[i]
        }
        update[i] = cur                      // 更新每层跳表要插入的位置
    }
    for i := 0; i <= level; i++ {            // 更新每层跳表插入节点
        node.next[i] = update[i].next[i]
        update[i].next[i] = node
    }
    // 更新跳表深度和节点数
    if level > sl.level {
        sl.level = level
    }
    sl.length++
}

插入操作首先生成随机层数，创建新节点，使用update数组记录插入每一层跳表时的位置。然后从最高层开始向下查找要插入的位置，记录要插入位置的前一个节点，然后更新每层跳表中插入节点和前一个节点的指向。最后更新跳表的深度和节点数量。

接下来是删除操作：

func (sl *skipList) delete(val int) {
    update := make([]*skipListNode, sl.level+1) // 用于更新每层跳表的节点指针
    cur := sl.head[sl.level]
    for i := sl.level; i >= 0; i-- {
        for cur.next[i] != nil && cur.next[i].Val < val { // 查找要删除的节点位置
            cur = cur.next[i]
        }
        if cur.next[i] != nil && cur.next[i].Val == val { // 找到要删除的节点
            update[i] = cur
        } else {
            update[i] = nil
        }
    }
    if update[0] != nil && update[0].next[0].Val == val { // 更新节点指针
        node := update[0].next[0]
        for i := 0; i <= sl.level && update[i].next[i] == node; i++ {
            update[i].next[i] = node.next[i]
        }
        // 更新跳表深度和节点数
        for sl.level > 0 && len(sl.head[sl.level].next) == 0 {
            sl.level--
        }
        sl.length--
    }
}

删除操作首先查找要删除的节点，记录其位置和前一个节点的位置。如果找到要删除的节点，则更新节点指针，更新跳表的深度和节点数量。

最后是查找操作：

func (sl *skipList) search(val int) *skipListNode {
    cur := sl.head[sl.level]
    for i := sl.level; i >= 0; i-- {
        for cur.next[i] != nil && cur.next[i].Val < val { // 查找要查找的节点位置
            cur = cur.next[i]
        }
    }
    if cur.next[0] != nil && cur.next[0].Val == val { // 找到要查找的节点
        return cur.next[0]
    }
    return nil // 没有找到节点，返回nil
}

查找操作与插入和删除操作基本类似，从最高层开始向下查找要查找的节点，记录其位置，如果找到则返回该节点。

三、跳表分析

跳表是一种基于链表的高效数据结构，与平衡二叉树相比，其插入和删除操作的时间复杂度相同(O(log n))，但查找操作的时间复杂度为O(log n)，相比于二叉树的查找时间复杂度O(h)更为高效，其中h为树的高度。由于随机层数的设置，跳表的高度也随机，插入、删除和查找的效率也更高。

跳表还可以通过合理设定节点数量和指针数量来控制其空间复杂度。在跳表中设置多个指针并消耗更多的存储空间是一个权衡，为了获得更好的性能，在一些特定的场景下这些额外的空间开销是比较合理的。

四、总结

跳表是一种高效的链表数据结构，可以用来代替平衡树以应对大规模缓存数据存储和搜索的问题。Go语言的并发特性和扁平化包结构使得跳表在Go应用程序中非常实用。实现跳表的关键在于节点的层数随机生成、查找要插入和删除的位置以及更新节点指针。跳表通过这些基本操作使得其效率相比于普通链表更高，并且可以根据具体的应用场景来合理设置节点数量和指针数量。

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