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          【算法基礎(chǔ)】漫畫:什么是 “跳表” ?

          共 2522字,需瀏覽 6分鐘

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          2020-08-26 16:51



          —————? 第二天? —————





          如何進(jìn)行二分查找呢?


          首先根據(jù)數(shù)組下標(biāo),定位到數(shù)組的中間元素:



          由于要查找的元素20,大于中間元素12,再次定位到數(shù)組半部分的中間元素:



          這一次定位到的元素正好是20,查找成功。


          如果數(shù)組的長(zhǎng)度是n,二分查找的時(shí)間復(fù)雜度是O(logn),比起從左到右逐個(gè)遍歷元素進(jìn)行查找的方式,大大提升了查找性能。







          如上圖所示,想要定位到鏈表的中間結(jié)點(diǎn)9,是無(wú)法直接定位的,需要從頭結(jié)點(diǎn)開(kāi)始,順著next指針,逐個(gè)訪問(wèn)下一個(gè)結(jié)點(diǎn)。


          因此,鏈表這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)并不適用于二分查找。



          ————————————


          常見(jiàn)的圖書目錄,就像下面這樣:



          第5章對(duì)應(yīng)的頁(yè)碼是170,因此我們直接翻到書的第170頁(yè),就是第5章的內(nèi)容。




          如圖所示,在原始鏈表的基礎(chǔ)上,我們?cè)黾恿艘粋€(gè)索引鏈表。原始鏈表的每?jī)蓚€(gè)結(jié)點(diǎn),有一個(gè)結(jié)點(diǎn)也在索引鏈表當(dāng)中。


          這樣做有什么好處呢?當(dāng)我們想要定位到結(jié)點(diǎn)20,我們不需要在原始鏈表中一個(gè)一個(gè)結(jié)點(diǎn)訪問(wèn),而是首先訪問(wèn)索引鏈表:



          在索引鏈表找到結(jié)點(diǎn)20之后,我們順著索引鏈表的結(jié)點(diǎn)向下,找到原始鏈表的結(jié)點(diǎn)20:



          這個(gè)過(guò)程,就像是先查閱了圖書的目錄,再翻到章節(jié)所對(duì)應(yīng)的頁(yè)碼。


          由于索引鏈表的結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)是原始鏈表的一半,查找結(jié)點(diǎn)所需的訪問(wèn)次數(shù)也相應(yīng)減少了一半。




          多層次的圖書目錄,就像下面這樣:




          如圖所示,我們基于原始鏈表的第1層索引,抽出了第2層更為稀疏的索引,結(jié)點(diǎn)數(shù)量是第1層索引的一半。


          這樣的多層索引可以進(jìn)一步提升查詢效率,假如仍然要查找結(jié)點(diǎn)20,讓我們來(lái)演示一下過(guò)程:


          首先,我們從最上層的索引開(kāi)始查找,找到該層中僅小于結(jié)點(diǎn)20的前置索引結(jié)點(diǎn)12:



          接下來(lái),我們順著結(jié)點(diǎn)12訪問(wèn)下一層索引,在該層中找到結(jié)點(diǎn)20:



          最后,我們順著第1層索引的結(jié)點(diǎn)20向下,找到原始鏈表的結(jié)點(diǎn)20:



          在這個(gè)例子中,由于原始鏈表的結(jié)點(diǎn)數(shù)量較少,僅僅需要2層索引。如果鏈表的結(jié)點(diǎn)數(shù)量非常多,我們就可以抽出更多的索引層級(jí),每一層索引的結(jié)點(diǎn)數(shù)量都是低層索引的一半。


          假設(shè)原始鏈表有n個(gè)結(jié)點(diǎn),那么索引的層級(jí)就是log(n)-1,在每一層的訪問(wèn)次數(shù)是常量,因此查找結(jié)點(diǎn)的平均時(shí)間復(fù)雜度是O(logn)。這比起常規(guī)的查找方式,也就是線性依次訪問(wèn)鏈表節(jié)點(diǎn)的方式,效率要高得多。


          但相應(yīng)的,這種基于鏈表的優(yōu)化增加了額外的空間開(kāi)銷。假設(shè)原始鏈表有n個(gè)結(jié)點(diǎn),那么各層索引的結(jié)點(diǎn)總數(shù)是n/2+n/4+n/8+n/16+......2,約等于n。


          也就是說(shuō),優(yōu)化之后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所占空間,是原來(lái)的2倍。這是典型的以空間換時(shí)間的做法。



          假設(shè)我們要插入的結(jié)點(diǎn)是10,首先我們按照跳表查找結(jié)點(diǎn)的方法,找到待插入結(jié)點(diǎn)的前置結(jié)點(diǎn)(僅小于待插入結(jié)點(diǎn)):



          接下來(lái),按照一般鏈表的插入方式,把結(jié)點(diǎn)10插入到結(jié)點(diǎn)9的下一個(gè)位置:



          這樣是不是插入工作就完成了呢?并不是。隨著原始鏈表的新結(jié)點(diǎn)越來(lái)越多,索引會(huì)漸漸變得不夠用了,因此索引結(jié)點(diǎn)也需要相應(yīng)作出調(diào)整。


          如何調(diào)整索引呢?我們讓新插入的結(jié)點(diǎn)隨機(jī)“晉升”,也就是成為索引結(jié)點(diǎn)。新結(jié)點(diǎn)晉升成功的幾率是50%。


          假設(shè)第一次隨機(jī)的結(jié)果是晉升成功,那么我們把結(jié)點(diǎn)10作為索引結(jié)點(diǎn),插入到第1層索引的對(duì)應(yīng)位置,并且向下指向原始鏈表的結(jié)點(diǎn)10:



          新結(jié)點(diǎn)在成功晉升之后,仍然有機(jī)會(huì)繼續(xù)向上一層索引晉升。我們?cè)龠M(jìn)行一次隨機(jī),假設(shè)隨機(jī)的結(jié)果是晉升失敗,那么插入操作就告一段落了。


          小灰說(shuō)的是什么意思呢?讓我們看看下圖,新結(jié)點(diǎn)10已經(jīng)晉升到第2層索引,下一次隨機(jī)的結(jié)果仍然是晉升成功,這時(shí)候該怎么辦呢?




          假設(shè)我們要從跳表中刪除結(jié)點(diǎn)10,首先我們按照跳表查找結(jié)點(diǎn)的方法,找到待刪除的結(jié)點(diǎn):



          接下來(lái),按照一般鏈表的刪除方式,把結(jié)點(diǎn)10從原始鏈表當(dāng)中刪除:



          這樣是不是刪除工作就完成了呢?并不是。我們需要順藤摸瓜,把索引當(dāng)中的對(duì)應(yīng)結(jié)點(diǎn)也一一刪除:




          剛才的例子當(dāng)中,第3層索引的結(jié)點(diǎn)已經(jīng)沒(méi)有了,因此我們把整個(gè)第3層刪去:



          最終的刪除結(jié)果如下:




          1. 程序中跳表采用的是雙向鏈表,無(wú)論前后結(jié)點(diǎn)還是上下結(jié)點(diǎn),都各有兩個(gè)指針相互指向彼此。


          2.?程序中跳表的每一層首位各有一個(gè)空結(jié)點(diǎn),左側(cè)的空節(jié)點(diǎn)是負(fù)無(wú)窮大,右側(cè)的空節(jié)點(diǎn)是正無(wú)窮大。


          之所以這樣設(shè)計(jì),是為了方便代碼實(shí)現(xiàn)。代碼中的跳表就像下圖這樣:



          public?class?SkipList{

          ????//結(jié)點(diǎn)“晉升”的概率
          ????private?static?final?double?PROMOTE_RATE?=?0.5;
          ????private?Node?head,tail;
          ????private?int?maxLevel;

          ????public?SkipList()?{
          ????????head?=?new?Node(Integer.MIN_VALUE);
          ????????tail?=?new?Node(Integer.MAX_VALUE);
          ????????head.right?=?tail;
          ????????tail.left?=?head;
          ????}

          ????//查找結(jié)點(diǎn)
          ????public?Node?search(int?data){
          ????????Node?p=?findNode(data);
          ????????if(p.data?==?data){
          ????????????System.out.println("找到結(jié)點(diǎn):"?+?data);
          ????????????return?p;
          ????????}
          ????????System.out.println("未找到結(jié)點(diǎn):"?+?data);
          ????????return?null;
          ????}

          ????//找到值對(duì)應(yīng)的前置結(jié)點(diǎn)
          ????private?Node?findNode(int?data){
          ????????Node?node?=?head;
          ????????while(true){
          ????????????while?(node.right.data!=Integer.MAX_VALUE?&&?node.right.data<=data)?{
          ????????????????node?=?node.right;
          ????????????}
          ????????????if?(node.down?==?null)?{
          ????????????????break;
          ????????????}
          ????????????node?=?node.down;
          ????????}
          ????????return?node;
          ????}

          ????//插入結(jié)點(diǎn)
          ????public?void?insert(int?data){
          ????????Node?preNode=?findNode(data);
          ????????//如果data相同,直接返回
          ????????if?(preNode.data?==?data)?{
          ????????????return;
          ????????}
          ????????Node?node=new?Node(data);
          ????????appendNode(preNode,?node);
          ????????int?currentLevel=0;
          ????????//隨機(jī)決定結(jié)點(diǎn)是否“晉升”
          ????????Random?random?=?new?Random();
          ????????while?(random.nextDouble()?????????????//如果當(dāng)前層已經(jīng)是最高層,需要增加一層
          ????????????if?(currentLevel?==?maxLevel)?{
          ????????????????addLevel();
          ????????????}
          ????????????//找到上一層的前置節(jié)點(diǎn)
          ????????????while?(preNode.up==null)?{
          ????????????????preNode=preNode.left;
          ????????????}
          ????????????preNode=preNode.up;
          ????????????//把“晉升”的新結(jié)點(diǎn)插入到上一層
          ????????????Node?upperNode?=?new?Node(data);
          ????????????appendNode(preNode,?upperNode);
          ????????????upperNode.down?=?node;
          ????????????node.up?=?upperNode;
          ????????????node?=?upperNode;
          ????????????currentLevel++;
          ????????}
          ????}

          ????//在前置結(jié)點(diǎn)后面添加新結(jié)點(diǎn)
          ????private?void?appendNode(Node?preNode,?Node?newNode){
          ????????newNode.left=preNode;
          ????????newNode.right=preNode.right;
          ????????preNode.right.left=newNode;
          ????????preNode.right=newNode;
          ????}

          ????//增加一層
          ????private?void?addLevel(){
          ????????maxLevel++;
          ????????Node?p1=new?Node(Integer.MIN_VALUE);
          ????????Node?p2=new?Node(Integer.MAX_VALUE);
          ????????p1.right=p2;
          ????????p2.left=p1;
          ????????p1.down=head;
          ????????head.up=p1;
          ????????p2.down=tail;
          ????????tail.up=p2;
          ????????head=p1;
          ????????tail=p2;
          ????}

          ????//刪除結(jié)點(diǎn)
          ????public?boolean?remove(int?data){
          ????????Node?removedNode?=?search(data);
          ????????if(removedNode?==?null){
          ????????????return?false;
          ????????}

          ????????int?currentLevel=0;
          ????????while?(removedNode?!=?null){
          ????????????removedNode.right.left?=?removedNode.left;
          ????????????removedNode.left.right?=?removedNode.right;
          ????????????//如果不是最底層,且只有無(wú)窮小和無(wú)窮大結(jié)點(diǎn),刪除該層
          ????????????if(currentLevel?!=?0?&&?removedNode.left.data?==?Integer.MIN_VALUE?&&?removedNode.right.data?==?Integer.MAX_VALUE){
          ????????????????removeLevel(removedNode.left);
          ????????????}else?{
          ????????????????currentLevel?++;
          ????????????}
          ????????????removedNode?=?removedNode.up;
          ????????}

          ????????return?true;
          ????}

          ????//刪除一層
          ????private?void?removeLevel(Node?leftNode){
          ????????Node?rightNode?=?leftNode.right;
          ????????//如果刪除層是最高層
          ????????if(leftNode.up?==?null){
          ????????????leftNode.down.up?=?null;
          ????????????rightNode.down.up?=?null;
          ????????}else?{
          ????????????leftNode.up.down?=?leftNode.down;
          ????????????leftNode.down.up?=?leftNode.up;
          ????????????rightNode.up.down?=?rightNode.down;
          ????????????rightNode.down.up?=?rightNode.up;
          ????????}
          ????????maxLevel?--;
          ????}

          ????//輸出底層鏈表
          ????public?void?printList()?{
          ????????Node?node=head;
          ????????while?(node.down?!=?null)?{
          ????????????node?=?node.down;
          ????????}
          ????????while?(node.right.data?!=?Integer.MAX_VALUE)?{
          ????????????System.out.print(node.right.data?+?"?");
          ????????????node?=?node.right;
          ????????}
          ????????System.out.println();
          ????}

          ????//鏈表結(jié)點(diǎn)類
          ????public?class?Node?{
          ????????public?int?data;
          ????????//跳表結(jié)點(diǎn)的前后和上下都有指針
          ????????public?Node?up,?down,?left,?right;

          ????????public?Node(int?data)?{
          ????????????this.data?=?data;
          ????????}
          ????}

          ????public?static?void?main(String[]?args)?{
          ????????SkipList?list=new?SkipList();
          ????????list.insert(50);
          ????????list.insert(15);
          ????????list.insert(13);
          ????????list.insert(20);
          ????????list.insert(100);
          ????????list.insert(75);
          ????????list.insert(99);
          ????????list.insert(76);
          ????????list.insert(83);
          ????????list.insert(65);
          ????????list.printList();
          ????????list.search(50);
          ????????list.remove(50);
          ????????list.search(50);
          ????}
          }



          —————END—————



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