Skip list (日本語)
スキップ・リストは高速なランダム・アクセスよりむしろ高速な挿入および削除があるデータ構造が求められるタイムライン、スプライトでZ-インデックスまたはその他のタスクを実装するのに効果的なツールです。
警告、本格的な小記事: (インデックス付加可能な)スキップ・リストは蓋然的データ構造の挿入、削除および探査は O(log(n)) として整列され、さらに空き容量 O(n*log(n)) を使用します。二分木に対する主な優位点として Lua にて ~= 150 LOC を実装するのが非常に簡単であることです。
一つだけ制限があり、それは整列されたデータ構造であるため、その要素が < および <= により比較可能でなければならないということです。
こちらに Lua 実装の元となったPython 版 があります。
-- ファイル: skiplist.lua
--[[------------------------------------------------------------------
The MIT License
Original Python version Copyright (c) 2009 Raymond Hettinger
see http://code.activestate.com/recipes/576930/
Lua conversion + extensions Copyright (c) 2010 Pierre-Yves Gérardy
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THE SOFTWARE.
--]]------------------------------------------------------------------
local log, floor, ceil, min, random
= math.log, math.floor, math.ceil, math.min, math.random
local makeNode = function(value,size)
return {
value=value,
next={},
width={},
size=size
}
end
local End ={}
local NIL = makeNode(End,0)
local insert = function(self,value)
local node, chain, stepsAtLevel = self.head, {}, {}
for i=1, self.maxLevel do stepsAtLevel[i]=0 end
for level = self.maxLevel, 1, -1 do
while node.next[level] ~= NIL and node.next[level].value <= value do
stepsAtLevel[level] = ( stepsAtLevel[level] or 0 ) + node.width[level]
node = node.next[level]
-- print(level, stepsAtLevel[level],value)
end
chain[level]=node
end
local nodeLevel = min( self.maxLevel, - floor(log(random()) / log(2) ) )
local newNode = makeNode( value, nodeLevel)
local steps, prevNode = 0
for level= 1, nodeLevel do
prevNode = chain[level]
newNode.next[level] = prevNode.next[level]
prevNode.next[level] = newNode
newNode.width[level] = prevNode.width[level] - steps
prevNode.width[level] = steps + 1
steps = steps + stepsAtLevel[level]
end
for level = nodeLevel + 1, self.maxLevel do
chain[level].width[level] = chain[level].width[level] +1
end
self.size = self.size + 1
end
local delete = function(self,value)
-- ここで node.next[levels].value >= value により各レベルにある第一ノードを検索します。
node, chain = self.head, {}
for level = self.maxLevel, 1, -1 do
while node.next[level] ~= NIL and node.next[level].value < value do
node = node.next[level]
end
chain[level] = node
end
if value ~= chain[1].next[1].value then
return nil, "value not found: "..value
end
-- 各レベルにあるリンクを一つ削除します。
nodeLevel = chain[1].next[1].size
for level = 1, nodeLevel do
prevnode = chain[level]
prevnode.width[level] = prevnode.width[level] + prevnode.next[level].width[level] - 1
prevnode.next[level] = prevnode.next[level].next[level]
end
for level = nodeLevel+1, self.maxLevel do
chain[level].width[level] = chain[level].width[level] - 1
end
self.size = self.size - 1
return true -- 成功
end
local first = function(self)
return self.head.next[1].value
end
local pop=function (self)
if self.size == 0 then return nil, "Trying to pop an empty list" end
local node, head = self.head.next[1], self.head
for level = 1, node.size do
head.next[level]=node.next[level]
head.width[level]=node.width[level]
end
for level = node.size + 1, self.maxLevel do
head.width[level] = head.width[level] -1
end
self.size = self.size - 1
return node.value
end
-- i ( O( log( n ) ) ) により索引にあるノードの値を取得します。
local tostring = function (self)
local t = {}
for k,v in self:ipairs() do table.insert(t,v) end
return "( "..table.concat(t,", ").. " )"
end
local islMT = {
__index = function(self,i)
if type(i) ~= "number" then return end
if i > self.size then return end
local node = self.head
for level=self.maxLevel, 1, -1 do
while node.width[level] <= i do
i = i - node.width[level]
node = node.next[level]
end
end
return node.value
end,
__tostring=tostring
}
local ipairs = function (self)
local node, size = self.head.next[1] , self.size
count = 0
return function()
value=node.value
node = node.next[1]
count = count+1
return count <= size and count or nil, value
end
end
local function new (expected_size)
local size = expected_size or 16
if not expected_size then
expected_size = 16
end
local maxLevel = floor( log(expected_size) / log(2) )
local head = makeNode("HEAD",maxLevel)
for i=1,maxLevel do
head.next[i] = NIL
head.width[i] = 1
end
return setmetatable( {
size = 0,
head = head,
maxLevel = maxLevel,
insert = insert,
delete = delete,
first = first,
tostring = tostring,
ipairs=ipairs,
pop = pop
}, islMT
)
end
return {
new=new
}
API による用例:
local skiplist = require"skiplist"
math.randomseed(os.time())
-- 作成:
insdel = skiplist.new(8) -- 最適化された性能を得るためにリストの長さを算定して決定する必要があります。
-- 挿入
s = "YeeHoyeE"
for i=1,#s do
insdel:insert(s:sub(i,i))
print(insdel)
end
print()
-- インデックス(索引)化
print(insdel[4])
print(insdel[8])
print(insdel[12]) -- 範囲外 --> nil
print()
-- リストを超えての反復
for k,v in insdel:ipairs() do
print(k,v)
end
print()
-- 要素の削除
print(insdel:delete"Z") --> 見つからなかった
for i=1,#s do
insdel:delete(s:sub(i,i))
print(insdel)
end
-- pop() および first() の別の挿入分
insdel:insert("e")
insdel[0]=("g")
print( insdel:first() ) -- 最初の要素を返します。
print( insdel:pop() ) -- 最初の要素を返してリストから最初の要素を削除します。
print( insdel:first() )
print( insdel.size )
print( insdel:pop() )
print( insdel:pop() ) -- 空のリストに対して pop を試行します --> nil + エラーメッセージ。
print()
-------------------------------
-- ASCII 表現の構造:
-- この動作に対して以前のコードセクションの最後から
-- 二番目の行にある _End 代入をコメントアウトしてください。
-- 次のコードはリスト内部の構造を示すために
-- フードの下へ行くためにこれが要求されます。
-- これは通常使用において不要です。
l = skiplist.new(9)
s = "SweetLOVE"
for i=1,#s do local e = s:sub(i,i) l:insert(e) end
for level = l.maxLevel, 1, -1 do
local line='Level '..level..": "
node = l.head
while node.value ~= _End do
line=line..node.value..node.width[level].." "
for i=1,node.width[level]-1 do line=line.." " end
node = node.next[level]
end
print(line.."NIL")
end
出力:
( Y )
( Y, e )
( Y, e, e )
( H, Y, e, e )
( H, Y, e, e, o )
( H, Y, e, e, o, y )
( H, Y, e, e, e, o, y )
( E, H, Y, e, e, e, o, y )
e
y
nil
1 E
2 H
3 Y
4 e
5 e
6 e
7 o
8 y
nil value not found: Z
( E, H, e, e, e, o, y )
( E, H, e, e, o, y )
( E, H, e, o, y )
( E, e, o, y )
( E, e, y )
( E, e )
( E )
( )
e
e
g
1
g
nil Trying to pop an empty list
Level 3: HEAD4 S6 NIL
Level 2: HEAD1 E3 S1 V2 e2 w1 NIL
Level 1: HEAD1 E1 L1 O1 S1 V1 e1 e1 t1 w1 NIL