C++跳表应用实例（从零开始掌握跳表在C++中的高效实现与使用）

为什么选择跳表？

• 实现简单，远比 AVL 树或红黑树容易理解和编码
• 支持高效的插入、删除和查找操作（平均 O(log n)）
• 天然支持范围查询（如获取 [a, b] 区间内所有元素）
• Redis 的有序集合（ZSet）底层就使用了跳表！

因此，掌握跳表数据结构对提升 C++ 编程能力及面试竞争力都非常有帮助。

C++ 跳表实现步骤

我们将逐步构建一个支持插入、查找和打印功能的跳表。

1. 定义节点结构

每个节点包含一个值和一个指针数组，指向同层的下一个节点：

struct SkipListNode {    int value;    std::vector<SkipListNode*> forward; // 每一层的后继指针    SkipListNode(int val, int level) : value(val), forward(level, nullptr) {}};

2. 跳表类定义

class SkipList {private:    static const int MAX_LEVEL = 16; // 最大层数    static const double PROBABILITY = 0.5; // 升层概率    SkipListNode* header; // 头节点    int currentLevel;     // 当前最大层数    int randomLevel() {        int level = 1;        while ((rand() / double(RAND_MAX)) < PROBABILITY && level < MAX_LEVEL) {            level++;        }        return level;    }public:    SkipList();    ~SkipList();    void insert(int value);    bool search(int value);    void display();};

3. 插入操作实现

插入时需记录每层的前驱节点，然后更新指针：

void SkipList::insert(int value) {    std::vector<SkipListNode*> update(MAX_LEVEL, nullptr);    SkipListNode* current = header;    // 从最高层开始向下查找插入位置    for (int i = currentLevel - 1; i >= 0; i--) {        while (current->forward[i] != nullptr &&               current->forward[i]->value < value) {            current = current->forward[i];        }        update[i] = current;    }    // 如果已存在，不重复插入    if (current->forward[0] != nullptr && current->forward[0]->value == value)        return;    // 随机生成新节点层数    int newLevel = randomLevel();    // 如果新层数超过当前最大层数，更新头节点的高层指针    if (newLevel > currentLevel) {        for (int i = currentLevel; i < newLevel; i++) {            update[i] = header;        }        currentLevel = newLevel;    }    // 创建新节点    SkipListNode* newNode = new SkipListNode(value, newLevel);    // 更新各层指针    for (int i = 0; i < newLevel; i++) {        newNode->forward[i] = update[i]->forward[i];        update[i]->forward[i] = newNode;    }}

4. 查找操作

bool SkipList::search(int value) {    SkipListNode* current = header;    for (int i = currentLevel - 1; i >= 0; i--) {        while (current->forward[i] != nullptr &&               current->forward[i]->value < value) {            current = current->forward[i];        }    }    current = current->forward[0];    return (current != nullptr && current->value == value);}

完整使用示例

下面是一个简单的主函数，演示如何使用我们实现的跳表：

#include <iostream>#include <vector>#include <cstdlib>#include <ctime>// 此处省略 SkipListNode 和 SkipList 的完整定义int main() {    srand(time(0)); // 初始化随机种子    SkipList skiplist;    skiplist.insert(3);    skiplist.insert(6);    skiplist.insert(7);    skiplist.insert(9);    skiplist.insert(12);    skiplist.insert(19);    skiplist.insert(17);    skiplist.insert(26);    skiplist.insert(21);    skiplist.insert(25);    std::cout << "Skip List contents:\n";    skiplist.display();    std::cout << "\nSearch for 19: " << (skiplist.search(19) ? "Found" : "Not Found") << "\n";    std::cout << "Search for 15: " << (skiplist.search(15) ? "Found" : "Not Found") << "\n";    return 0;}

跳表的实际应用场景

除了理论学习，C++高性能查找需求常出现在以下场景：

• 数据库索引：某些内存数据库使用跳表作为索引结构
• 缓存系统：如 Redis 的 ZSet 使用跳表维护有序分数
• 实时排行榜：游戏积分榜、电商热销榜等需要频繁插入和排序的场景

通过本教程，你已经掌握了跳表应用实例的核心实现逻辑。虽然标准库未提供跳表，但在特定场景下，自己实现一个跳表往往能带来性能和灵活性的双重优势。

总结

跳表是一种优雅而实用的数据结构，它用简单的链表思想实现了接近平衡树的性能。通过本教程，即使是编程小白也能理解其原理并动手实现。建议你尝试扩展功能，比如支持删除操作、迭代器遍历或模板化设计，进一步提升 C++ 技能。

掌握跳表，让你的 C++ 程序更高效、更灵活！