内部实现：skiplist 与 rax 基数树

0. 引言

zset 的有序性、Stream 的消息 ID 索引、Redis Cluster 的 slot 映射——分别由 skiplist（跳跃表） 与 rax（基数树） 支撑。本文从源码视角解析：为什么 zset 不用红黑树、skiplist 的随机层级、rax 的压缩节点与 Stream 的底层组织。

1. zset：skiplist + dict 复合结构

1.1 为什么 zset 需要两个结构

typedef struct zset {
    dict *dict;              /* member → score 映射 */
    zskiplist *zsl;          /* score 有序索引 */
} zset;

1.2 为什么不用红黑树/AVL

• 实现简单：跳跃表 ~200 行代码，红黑树 ~500 行且旋转/变色易错；
• 范围查询友好：skiplist 天然有序链表，正向遍历零开销；红黑树需要中序遍历；
• 随机化平衡：不用维护严格平衡，插入删除只改局部指针；
• 复杂度同为 O(logN)，常数略大但可接受。

2. skiplist 结构解析

2.1 节点与层级

#define ZSKIPLIST_MAXLEVEL 64    /* 最大 64 层（7.0 起由 32 提升） */
#define ZSKIPLIST_P 0.25         /* 晋升概率 1/4 */

typedef struct zskiplistNode {
    sds ele;                     /* 成员 */
    double score;                /* 分数 */
    struct zskiplistNode *backward;  /* 后退指针（第 1 层） */
    struct zskiplistLevel {
        struct zskiplistNode *forward; /* 前进指针 */
        unsigned long span;            /* 跨过多少节点（用于 ZRANK） */
    } level[];                   /* 柔性数组：每节点 1~64 层 */
} zskiplistNode;

2.2 随机层级

节点创建时，从第 1 层开始，以 1/4 概率逐层晋升，直到 64 层封顶（7.0 前 32 层）：

int zslRandomLevel(void) {
    int level = 1;
    while ((random() & 0xFFFF) < (ZSKIPLIST_P * 0xFFFF))
        level += 1;
    return (level < ZSKIPLIST_MAXLEVEL) ? level : ZSKIPLIST_MAXLEVEL;
}

• 期望层级 1/(1-P) = 1.33，绝大多数节点 1-2 层；
• 查找从最高层开始"向右再向下"，期望 O(logN)；
• span 字段记录"跨过的节点数"，ZRANK 直接累加 span 得到排名，无需从 head 遍历。

2.3 与 listpack 的分工

7.x 中小 zset（≤128 元素且值 ≤64B）用 listpack（见上一章），超过阈值才升级为 skiplist+dict——小数据用紧凑编码，大数据用高效索引，两级火箭。

3. rax：基数树（Radix Tree）

3.1 用途

3.2 结构与压缩

基数树是"按 key 前缀共享路径"的树：

typedef struct raxNode {
    uint32_t iskey:1;    /* 该节点是否是一个 key 的结尾 */
    uint32_t isnull:1;   /* value 是否为空 */
    uint32_t iscompr:1;  /* 是否压缩节点 */
    uint32_t size:29;    /* 子节点数（压缩节点=1） */
    unsigned char data[];/* 存储字符 + 子节点指针 */
} raxNode;

• 压缩节点：只有一个子节点时，把公共前缀合并存储（如 foo/for 共享 fo）——内存极致压缩；
• 查找复杂度 O(最长前缀长度)，与树中 key 数量无关；
• 插入/删除可能触发节点的压缩与解压（split/merge）。

3.3 Stream 的消息 ID 组织

Stream 内部 = rax（按 ID 前缀索引）+ 每个节点一个 listpack（存同前缀段的消息）：

Stream key
└── rax 树（key = 消息 ID 前缀，如 "1760000000123-"）
    └── listpack（存放该前缀下的多条消息）

• 消息 ID 的"毫秒-序列号"数值排序天然匹配 rax 的字典序；
• 范围查询（XRANGE）就是 rax 的区间遍历 + listpack 内扫描；
• XADD O(logN)（rax 插入）+ O(1)（listpack 追加）。

4. 复杂度对照

5. 工程启示

1. zset 大集合性能：skiplist 保证有序操作 O(logN)，百万级排行榜无压力；
2. Stream 容量：rax + listpack 的组合让"百万消息"在内存中相当紧凑，但仍在内存——限长（XTRIM）是铁律；
3. 理解编码监控：OBJECT ENCODING 看到 skiplist 表示 zset 已大；listpack 表示仍在小对象区；
4. 别用 zset 做无限累积：有序集合与 Stream 一样，元素数×对象大小直接吃内存，配合淘汰/裁剪策略。

6. 小结

• zset = dict（按成员查分）+ skiplist（按分数有序），红黑树被"更简单且范围友好"的跳跃表取代；
• skiplist 的随机层级 + span 字段让查找与排名都是 O(logN)；
• rax 用前缀压缩把 Stream 的 ID 索引与集群 slot 映射做到内存极致；
• 至此，Redis 六大内部结构（SDS、dict、listpack、quicklist、skiplist、rax）全部解析完毕——它们共同构成 Redis"高性能 + 低内存"的基石。

7. 系列结语

本系列（01-28）从基础数据结构到内部实现，系统覆盖了 Redis 7.x 的核心知识体系：

结合官方文档（redis.io）与源码阅读，这套体系可作为 Redis 从应用到源码的完整学习路径。