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C# 跳表SkipList实现方法 C#如何实现一个高效的有序集合

畫卷琴夢

畫卷琴夢

发布时间:2026-02-01 08:33:18

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来源于php中文网

原创

因为SortedSet是单线程安全的红黑树,不支持并发修改和按索引访问,而SkipList平均O(log n)、易实现线程安全、支持随机访问且无需重平衡。

c# 跳表skiplist实现方法 c#如何实现一个高效的有序集合

为什么不用 SortedSet 而要手写 SkipList

因为 SortedSet 底层是红黑树,增删查都是 O(log n),但它是单线程安全的(不支持并发修改),且不支持按索引随机访问(比如“取第 5 小的元素”)。SkipList 在平均情况下同样 O(log n),但实现天然支持概率性分层,插入时无需旋转/重平衡,代码更易理解,也更容易扩展为线程安全版本。

SkipList 的核心结构怎么组织

每个节点不是只存一个 Next 指针,而是用数组 Forward[] 存多个层级的后继引用。层级数由随机决定(通常用抛硬:每次成功则继续升层,直到失败,最大层数常设为 32)。头节点(Head)必须有完整层级,每层形成一个有序链表,越高层跳得越远。

关键点:

  • Level 是当前节点实际拥有的层数(≤ 最大层数),不是固定值
  • 查找时从最高层开始,向右走不动就降层,类似“快速定位 + 精调”
  • 插入前必须先做一次查找,记录每层最后停靠的节点(即 Update[] 数组),用于后续指针修复
  • 删除同理,也要先查再改指针,不能只删节点对象

如何控制层级生成避免退化

层级不能全靠 Random.Next() 取模——这会破坏概率分布,导致某些层过密或过空。正确做法是用独立伯努利试验模拟抛硬币:

viable
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下载
private int RandomLevel()
{
    int level = 1;
    while (level < MaxLevel && random.NextDouble() < 0.5)
        level++;
    return level;
}

这里 0.5 是晋升概率,对应标准 SkipList;若设为 0.25,平均层数更低、内存更省,但常数因子略大。别用 new Random() 在循环里反复创建——它基于时间戳,高频调用会导致重复种子,应复用单例 Random 实例。

与 ConcurrentDictionary 或 ReaderWriterLock 配合的陷阱

纯 SkipList 本身不带锁。若想支持并发读写,不要直接套 lock(this)——会严重串行化。可行路径有二:

  • 对每层链表单独加细粒度锁(如每层一个 object 锁),但实现复杂且易死锁
  • 更实用的是:用 ConcurrentDictionary 存数据,另起一个只读 SkipList 做快照索引(适合读多写少)
  • 或者直接放弃手写,改用 System.Collections.Concurrent.ConcurrentSkipList(.NET 6+ 内置,但仅限 IComparable 类型,且不公开底层操作)

真正需要自定义行为(比如带范围查询回调、自定义比较器生命周期管理)时,才值得投入 SkipList 实现——否则,SortedSetSortedList 已足够稳。

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