跳跃表

来源:互联网 发布:mysql datediff函数 编辑:程序博客网 时间:2024/05/17 06:02

跳跃表-原理

跳跃表的引入

我们知道,普通单链表查询一个元素的时间复杂度为O(n),即使该单链表是有序的,我们也不能通过2分的方式缩减时间复杂度。

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如上图,我们要查询元素为55的结点,必须从头结点,循环遍历到最后一个节点,不算-INF(负无穷)一共查询8次。那么用什么办法能够用更少的次数访问55呢?最直观的,当然是新开辟一条捷径去访问55。

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如上图,我们要查询元素为55的结点,只需要在L2层查找4次即可。在这个结构中,查询结点为46的元素将耗费最多的查询次数5次。即先在L2查询46,查询4次后找到元素55,因为链表是有序的,46一定在55的左边,所以L2层没有元素46。然后我们退回到元素37,到它的下一层即L1层继续搜索46。非常幸运,我们只需要再查询1次就能找到46。这样一共耗费5次查询。

那么,如何才能更快的搜寻55呢?有了上面的经验,我们就很容易想到,再开辟一条捷径。
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如上图,我们搜索55只需要2次查找即可。这个结构中,查询元素46仍然是最耗时的,需要查询5次。即首先在L3层查找2次,然后在L2层查找2次,最后在L1层查找1次,共5次。很显然,这种思想和2分非常相似,那么我们最后的结构图就应该如下图。

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我们可以看到,最耗时的访问46需要6次查询。即L4访问55,L3访问21、55,L2访问37、55,L1访问46。我们直觉上认为,这样的结构会让查询有序链表的某个元素更快。那么究竟算法复杂度是多少呢?

如果有n个元素,因为是2分,所以层数就应该是log n层 (本文所有log都是以2为底),再加上自身的1层。以上图为例,如果是4个元素,那么分层为L3和L4,再加上本身的L2,一共3层;如果是8个元素,那么就是3+1层。最耗时间的查询自然是访问所有层数,耗时logn+logn,即2logn。为什么是2倍的logn呢?我们以上图中的46为例,查询到46要访问所有的分层,每个分层都要访问2个元素,中间元素和最后一个元素。所以时间复杂度为O(logn)。

至此为止,我们引入了最理想的跳跃表,但是如果想要在上图中插入或者删除一个元素呢?比如我们要插入一个元素22、23、24……,自然在L1层,我们将这些元素插入在元素21后,那么L2层,L3层呢?我们是不是要考虑插入后怎样调整连接,才能维持这个理想的跳跃表结构。我们知道,平衡二叉树的调整是一件令人头痛的事情,左旋右旋左右旋……一般人还真记不住,而调整一个理想的跳跃表将是一个比调整平衡二叉树还复杂的操作。幸运的是,我们并不需要通过复杂的操作调整连接来维护这样完美的跳跃表。有一种基于概率统计的插入算法,也能得到时间复杂度为O(logn)的查询效率,这种跳跃表才是我们真正要实现的。

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