高效有序结构：Java跳表（Skip List）从入门到实战

如图所示，最底层（Level 0）包含所有元素，上层则随机包含部分元素作为“快车道”。查找时从最高层开始，若当前节点值小于目标，则向右；否则向下一层继续查找。

跳表的核心特性

• 有序性：所有元素按升序排列。
• 多层结构：每一层都是下一层的子集。
• 随机层数：新节点的层数通过抛硬币（概率 0.5）决定。
• 高效操作：插入、删除、查找平均时间复杂度均为 O(log n)。

Java 跳表实现步骤

下面我们用 Java 实现一个简化版的跳表。我们将支持 insert、search 和 delete 操作。

1. 定义节点类

class SkipListNode {    int val;    // 每个节点维护一个指针数组，指向各层的下一个节点    SkipListNode[] forward;    public SkipListNode(int val, int level) {        this.val = val;        this.forward = new SkipListNode[level + 1];    }}

2. 定义跳表主类

import java.util.Random;public class SkipList {    private static final double P = 0.5; // 提升概率    private static final int MAX_LEVEL = 16; // 最大层数    private SkipListNode head; // 头节点（不存实际数据）    private int currentLevel; // 当前最大层数    private Random random;    public SkipList() {        this.head = new SkipListNode(-1, MAX_LEVEL);        this.currentLevel = 0;        this.random = new Random();    }    // 随机生成节点层数    private int randomLevel() {        int level = 0;        while (random.nextDouble() < P && level < MAX_LEVEL) {            level++;        }        return level;    }}

3. 实现查找方法

public boolean search(int target) {    SkipListNode current = head;    // 从最高层开始往下搜索    for (int i = currentLevel; i >= 0; i--) {        while (current.forward[i] != null &&                current.forward[i].val < target) {            current = current.forward[i];        }    }    // 到达底层，检查下一个节点是否为目标    current = current.forward[0];    return current != null && current.val == target;}

4. 实现插入方法

public void insert(int val) {    SkipListNode current = head;    // 记录每层需要更新的前驱节点    SkipListNode[] update = new SkipListNode[MAX_LEVEL + 1];    // 从最高层往下找插入位置    for (int i = currentLevel; i >= 0; i--) {        while (current.forward[i] != null &&                current.forward[i].val < val) {            current = current.forward[i];        }        update[i] = current;    }    current = current.forward[0];    if (current == null || current.val != val) {        int level = randomLevel();        if (level > currentLevel) {            for (int i = currentLevel + 1; i <= level; i++) {                update[i] = head;            }            currentLevel = level;        }        SkipListNode newNode = new SkipListNode(val, level);        for (int i = 0; i <= level; i++) {            newNode.forward[i] = update[i].forward[i];            update[i].forward[i] = newNode;        }    }}

5. 简单测试

public static void main(String[] args) {    SkipList sl = new SkipList();    sl.insert(3);    sl.insert(10);    sl.insert(1);    System.out.println(sl.search(10)); // true    System.out.println(sl.search(5));  // false}

跳表 vs 平衡树

相比红黑树等自平衡二叉搜索树，跳表具有以下优势：

• 实现更简单，无需复杂的旋转操作。
• 天然支持范围查询（如 find all between a and b）。
• 在并发场景下更容易加锁优化——这也是为什么 ConcurrentSkipListMap 是 Java 并发包中的重要组件，体现了 Java并发跳表 的实用价值。

总结

通过本教程，我们深入理解了 跳表原理详解，并动手实现了基本功能。跳表不仅理论优雅，而且在工业级应用（如 Redis 的 ZSet、Java 的 ConcurrentSkipListMap）中广泛使用。掌握它，将大大提升你对高效数据结构的认知。

希望这篇 Java跳表实现 教程能帮助你轻松入门跳表！建议你尝试扩展删除操作，并加入打印跳表结构的功能，加深理解。