Rust跳表数据结构实现（从零开始构建高性能有序集合）

为什么选择跳表？

• 实现比平衡树（如红黑树）简单
• 支持高效的范围查询
• 天然支持并发（在Rust并发数据结构中很有优势）
• 平均性能接近 O(log n)

Rust 跳表实现步骤

我们将分步构建一个支持插入、查找和删除的跳表。首先定义节点结构：

use std::collections::HashMap;use rand::Rng;// 跳表节点：每一层都有一个 next 指针#[derive(Debug)]struct SkipNode<T> {    value: T,    forward: Vec<Option<*mut SkipNode<T>>>,}impl<T> SkipNode<T> {    fn new(value: T, level: usize) -> Self {        SkipNode {            value,            forward: vec![None; level],        }    }}

注意：我们使用裸指针（*mut）是为了避免所有权问题，但在实际项目中建议使用 Rc<RefCell<...>> 或更安全的智能指针。为了简化，本教程使用不安全代码块处理指针。

定义跳表主结构

const MAX_LEVEL: usize = 16;const P: f64 = 0.5; // 随机提升层级的概率pub struct SkipList<T: Ord + Clone> {    head: *mut SkipNode<T>,    level: usize,    length: usize,}impl<T: Ord + Clone> SkipList<T> {    pub fn new() -> Self {        let head_node = Box::into_raw(Box::new(SkipNode::new(            // 使用默认值占位，实际不会被访问            unsafe { std::mem::zeroed() },            MAX_LEVEL,        )));        SkipList {            head: head_node,            level: 0,            length: 0,        }    }}

生成随机层级

跳表的关键在于随机决定新节点应出现在多少层：

fn random_level() -> usize {    let mut level = 1;    let mut rng = rand::thread_rng();    while level < MAX_LEVEL && rng.gen_bool(P) {        level += 1;    }    level}

插入操作实现

pub fn insert(&mut self, value: T) {    let update: Vec<*mut SkipNode<T>> = vec![self.head; MAX_LEVEL];    let mut current = self.head;    // 从最高层开始向下搜索    for i in (0..=self.level).rev() {        unsafe {            while let Some(next) = (*current).forward[i] {                if (*next).value < value {                    current = next;                } else {                    break;                }            }            update[i] = current;        }    }    // 检查是否已存在    unsafe {        if let Some(next) = (*current).forward[0] {            if (*next).value == value {                return; // 已存在，不重复插入            }        }    }    // 生成新层级    let new_level = random_level();    if new_level > self.level {        for i in (self.level + 1)..=new_level {            update[i] = self.head;        }        self.level = new_level;    }    // 创建新节点    let new_node = Box::into_raw(Box::new(SkipNode::new(value, new_level + 1)));    // 更新 forward 指针    unsafe {        for i in 0..=new_level {            (*new_node).forward[i] = (*update[i]).forward[i];            (*update[i]).forward[i] = Some(new_node);        }    }    self.length += 1;}

查找与删除（简要说明）

查找逻辑与插入前半部分相同；删除则需先找到目标节点，再更新各层指针。完整实现可参考开源项目如 skiplist crate。

安全提示与改进建议

本教程使用了 unsafe 代码以简化指针操作。在生产环境中，建议：

• 使用 Arc<Mutex<...>> 实现线程安全
• 用 Rc<RefCell<SkipNode>> 替代裸指针
• 添加 Drop trait 自动释放内存

总结

通过本篇跳表教程，你已经掌握了如何在 Rust 中实现一个基础跳表。跳表不仅性能优秀，而且逻辑清晰，是学习高级Rust数据结构的理想起点。希望你能在此基础上构建更强大的并发或持久化跳表！

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