跳表的原理与cpp实现-一、跳表

时间:2024-10-17 07:18:29

对于一个单链表来讲,即便链表中存储的数据是有序的,如果我们要想在其中查找某个数据,也只能从头到尾遍历链表。这样查找效率就会很低,时间复杂度会很高,是 O(n)。

比如下图的链表,我们想要查找9需要比较9次,查找路径是红色箭头

image-20241014195251932

想要提高效率就有一个非常简单的办法,加索引,如下图,加一层的话比较次数就减小到了5次

image-20241014195429408

再加一层,比较次数就直接减少了三次

image-20241014195735347

再加一层,甚至可以减少到两次的比较次数

image-20241014195941597

这种链表加多级索引的结构就是跳表,他的显著优势就是可以提高查询效率,那么我们分析一下,他究竟可以有多快。先来看这样一个问题,如果链表里有 n 个结点,会有多少级索引呢?

如果每两个结点会抽出一个结点作为上一级索引的结点,那第一级索引的结点个数大约就是 n/2,第二级索引的结点个数大约就是 n/4,第三级索引的结点个数大约就是 n/8,依次类推,也就是说,第 k 级索引的结点个数是第 k-1 级索引的结点个数的 1/2,那第 k级索引结点的个数就是 n / ( 2 k ) n/(2^k) n/(2k)

假设索引有 h 级,*的索引有 2 个结点。通过上面的公式,我们可以得到 n / ( 2 h ) = 2 n/(2^h)=2 n/(2h)=2,从而求得 h = log ⁡ 2 n − 1 h=\log _{2}{n-1} h=log2n1。如果包含原始链表这一层,整个跳表的高度就是 log ⁡ 2 n \log_{2}{n} log2n。我们在跳表中查询某个数据的时候,如果每一层都要遍历 m 个结点,那在跳表中查询一个数据的时间复杂度就是 O(m*logn)。

这几级索引的结点总和就是 n/2+n/4+n/8…+8+4+2=n-2。所以,跳表的空间复杂度是 O(n)。也就是说,如果将包含 n 个结点的单链表构造成跳表,我们需要额外再用接近 n 个结点的存储空间。那我们有没有办法降低索引占用的内存空间呢?其实也有,现在我们大概是每两个节点抽一个索引,还可以每三个节点抽一个。这样的话就可以显著降低空间复杂度,但是会提高时间复杂度,看实际项目如何平衡。

跳表是一种典型的空间换时间的解决方案。