跳表--怎么让一个有序链表能够进行二分查找?

对于一个有序数组,如果要查找其中的一个数,我们可以使用二分查找(Binary Search)算法,将它的时间复杂度降低为O(logn).那查找一个有序链表,有没有办法将其时间复杂度也降低为O(logn)呢?

跳表(skip list),全称为跳跃链表实质上就是一种可以进行二分查找的有序链表,它允许快速查询、插入和删除有序链表

跳表使用的前提是链表有序,就像二分查找也要求有序数组

怎么理解跳表

比如我们有一个原始有序链表,如下图所示。

跳表--怎么让一个有序链表能够进行二分查找?

要查找其中值为20的元素,之前都是采取按顺序进行遍历的方法,但这样做时间复杂度就变成了O(n).怎样才能提高效率呢?我们可以通过对链表建立一级索引,查找的时候先遍历索引,通过索引找到原始层继续遍历。索引如下图所示

跳表--怎么让一个有序链表能够进行二分查找?

那么查找20的过程就变成了先使用索引遍历 2 -> 7 -> 12 -> 20,然后顺着索引链表的结点向下找到原始链表的结点20.之前需要遍历7次,现在需要遍历5次。在数据量小的时候跳表性能优化并不明显,但当有序链表包含大量数据时,结点的访问次数大致会减少一半。

现在我们添加两层索引,基于第一层的索引再添加一层,如下图所示

跳表--怎么让一个有序链表能够进行二分查找?

要查找20,先在第二层索引上遍历 2 -> 12 ,然后向下转到第一层索引遍历 12 - > 20,最后向下找到原始链表的结点20.

这个例子中,原始有序链表的结点数量很少,当结点数量很多时,可以抽出更多的索引层级,每一层索引结点的数量都是低层索引的一半。

跳表复杂度分析 时间复杂度

算法的执行效率可以通过时间复杂度来衡量,跳表的时间复杂度是多少呢?我们来分析一下。

前面我们每两个结点抽一个结点作为上一级索引的结点,那么假设原始链表的长度为n,第一层索引的结点个数为n/2,第二层索引的个数为n/4,第k级的索引结点个数就是n/(2k)。假设索引有 h 级,最高级的索引有 2 个结点。通过上面的公式,我们可以得到 n/(2h)=2,从而求得 h=log2n-1。如果包含原始链表这一层,整个跳表的高度就是 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)

m的值怎么计算呢?在上面的例子中,每一层最多只需要遍历三个元素,因此m=3,根据时间复杂度的计算规则,高阶的常数项也可以省略,因此跳表中查询任意数据的时间复杂度就是O(logn)

空间复杂度

每两个结点中抽一个结点作为上级索引,很明显,它的空间复杂度为O(n).

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