[TOC] 在平时线上 Redis 维护工作中,有时候需要从 Redis 实例成千上万的 key 中找出特定前缀的 key 列表来手动处理数据,可能是修改它的值,也可能是删除 key。这里就有一个问题,如何从海量的 key 中找出满足特定前缀的 key 列表来? Redis 提供了一个简单暴力的指令`keys`用来列出所有满足特定正则字符串规则的 key。 ~~~ 127.0.0.1:6379> set codehole1 a OK 127.0.0.1:6379> set codehole2 b OK 127.0.0.1:6379> set codehole3 c OK 127.0.0.1:6379> set code1hole a OK 127.0.0.1:6379> set code2hole b OK 127.0.0.1:6379> set code3hole b OK 127.0.0.1:6379> keys * 1) "codehole1" 2) "code3hole" 3) "codehole3" 4) "code2hole" 5) "codehole2" 6) "code1hole" 127.0.0.1:6379> keys codehole* 1) "codehole1" 2) "codehole3" 3) "codehole2" 127.0.0.1:6379> keys code*hole 1) "code3hole" 2) "code2hole" 3) "code1hole" ~~~ 这个指令使用非常简单,提供一个简单的正则字符串即可,但是有很明显的两个**缺点**。 1. 没有 offset、limit 参数,一次性吐出所有满足条件的 key,万一实例中有几百 w 个 key 满足条件,当你看到满屏的字符串刷的没有尽头时,你就知道难受了。 2. keys 算法是遍历算法,复杂度是 O(n),如果实例中有千万级以上的 key,这个指令就会导致 Redis 服务卡顿,所有读写 Redis 的其它的指令都会被延后甚至会超时报错,因为 Redis 是单线程程序,顺序执行所有指令,其它指令必须等到当前的 keys 指令执行完了才可以继续。 面对这两个显著的缺点该怎么办呢? Redis 为了解决这个问题,它在 2.8 版本中加入了大海捞针的指令——`scan`。`scan`相比`keys`具备有以下特点: 1. 复杂度虽然也是 O(n),但是它是通过游标分步进行的,不会阻塞线程; 2. 提供 limit 参数,可以控制每次返回结果的最大条数,limit 只是一个 hint,返回的结果可多可少; 3. 同 keys 一样,它也提供模式匹配功能; 4. 服务器不需要为游标保存状态,游标的唯一状态就是 scan 返回给客户端的游标整数; 5. 返回的结果可能会有重复,需要客户端去重复,这点非常重要; 6. 遍历的过程中如果有数据修改,改动后的数据能不能遍历到是不确定的; 7. 单次返回的结果是空的并不意味着遍历结束,而要看返回的游标值是否为零; ## scan 基础使用 在使用之前,让我们往 Redis 里插入 10000 条数据来进行测试 ~~~ import redis client = redis.StrictRedis() for i in range(10000): client.set("key%d" % i, i) ~~~ 好,Redis 中现在有了 10000 条数据,接下来我们找出以 key99 开头 key 列表。 scan 参数提供了三个参数,第一个是`cursor 整数值`,第二个是`key 的正则模式`,第三个是`遍历的 limit hint`。第一次遍历时,cursor 值为 0,然后将返回结果中第一个整数值作为下一次遍历的 cursor。一直遍历到返回的 cursor 值为 0 时结束。 ~~~ 127.0.0.1:6379> scan 0 match key99* count 1000 1) "13976" 2) 1) "key9911" 2) "key9974" 3) "key9994" 4) "key9910" 5) "key9907" 6) "key9989" 7) "key9971" 8) "key99" 9) "key9966" 10) "key992" 11) "key9903" 12) "key9905" 127.0.0.1:6379> scan 13976 match key99* count 1000 1) "1996" 2) 1) "key9982" 2) "key9997" 3) "key9963" 4) "key996" 5) "key9912" 6) "key9999" 7) "key9921" 8) "key994" 9) "key9956" 10) "key9919" 127.0.0.1:6379> scan 1996 match key99* count 1000 1) "12594" 2) 1) "key9939" 2) "key9941" 3) "key9967" 4) "key9938" 5) "key9906" 6) "key999" 7) "key9909" 8) "key9933" 9) "key9992" ...... 127.0.0.1:6379> scan 11687 match key99* count 1000 1) "0" 2) 1) "key9969" 2) "key998" 3) "key9986" 4) "key9968" 5) "key9965" 6) "key9990" 7) "key9915" 8) "key9928" 9) "key9908" 10) "key9929" 11) "key9944" ~~~ 从上面的过程可以看到虽然提供的 limit 是 1000,但是返回的结果只有 10 个左右。因为这个 limit 不是限定返回结果的数量,而是限定服务器单次遍历的字典槽位数量(约等于)。如果将 limit 设置为 10,你会发现返回结果是空的,但是游标值不为零,意味着遍历还没结束。 ~~~ 127.0.0.1:6379> scan 0 match key99* count 10 1) "3072" 2) (empty list or set) ~~~ ## 字典的结构 在 Redis 中所有的 key 都存储在一个很大的字典中,这个字典的结构和 Java 中的 HashMap 一样,是一维数组 + 二维链表结构,第一维数组的大小总是 2^n(n>=0),扩容一次数组大小空间加倍,也就是 n++。 ![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/7/5/164695b9f06c757e?imageView2/0/w/1280/h/960/format/webp/ignore-error/1) scan 指令返回的游标就是第一维数组的位置索引,我们将这个位置索引称为槽 (slot)。如果不考虑字典的扩容缩容,直接按数组下标挨个遍历就行了。limit 参数就表示需要遍历的槽位数,之所以返回的结果可能多可能少,是因为不是所有的槽位上都会挂接链表,有些槽位可能是空的,还有些槽位上挂接的链表上的元素可能会有多个。每一次遍历都会将 limit 数量的槽位上挂接的所有链表元素进行模式匹配过滤后,一次性返回给客户端。 ## scan 遍历顺序 scan 的遍历顺序非常特别。它不是从第一维数组的第 0 位一直遍历到末尾,而是采用了高位进位加法来遍历。之所以使用这样特殊的方式进行遍历,是考虑到字典的扩容和缩容时避免槽位的遍历重复和遗漏。 首先我们用动画演示一下普通加法和高位进位加法的区别。 ![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/7/5/16469760d12e0cbd?imageslim) 从动画中可以看出高位进位法从左边加,进位往右边移动,同普通加法正好相反。但是最终它们都会遍历所有的槽位并且没有重复。 ## 字典扩容 Java 中的 HashMap 有扩容的概念,当 loadFactor 达到阈值时,需要重新分配一个新的 2 倍大小的数组,然后将所有的元素全部 rehash 挂到新的数组下面。rehash 就是将元素的 hash 值对数组长度进行取模运算,因为长度变了,所以每个元素挂接的槽位可能也发生了变化。又因为数组的长度是 2^n 次方,所以取模运算等价于位与操作。 ~~~ a mod 8 = a & (8-1) = a & 7 a mod 16 = a & (16-1) = a & 15 a mod 32 = a & (32-1) = a & 31 ~~~ 这里的 7, 15, 31 称之为字典的 mask 值,mask 的作用就是保留 hash 值的低位,高位都被设置为 0。 接下来我们看看 rehash 前后元素槽位的变化。 假设当前的字典的数组长度由 8 位扩容到 16 位,那么 3 号槽位 011 将会被 rehash 到 3 号槽位和 11 号槽位,也就是说该槽位链表中大约有一半的元素还是 3 号槽位,其它的元素会放到 11 号槽位,11 这个数字的二进制是 1011,就是对 3 的二进制 011 增加了一个高位 1。 ![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/7/5/164698cd0d3eec33?imageView2/0/w/1280/h/960/format/webp/ignore-error/1) 抽象一点说,假设开始槽位的二进制数是 xxx,那么该槽位中的元素将被 rehash 到 0xxx 和 1xxx(xxx+8) 中。 如果字典长度由 16 位扩容到 32 位,那么对于二进制槽位 xxxx 中的元素将被 rehash 到 0xxxx 和 1xxxx(xxxx+16) 中。 ## 对比扩容缩容前后的遍历顺序 ![](https://user-gold-cdn.xitu.io/2018/7/5/164699dae277cc19?imageView2/0/w/1280/h/960/format/webp/ignore-error/1) 观察这张图,我们发现采用高位进位加法的遍历顺序,rehash 后的槽位在遍历顺序上是相邻的。 假设当前要即将遍历 110 这个位置 (橙色),那么扩容后,当前槽位上所有的元素对应的新槽位是 0110 和 1110(深绿色),也就是在槽位的二进制数增加一个高位 0 或 1。这时我们可以直接从 0110 这个槽位开始往后继续遍历,0110 槽位之前的所有槽位都是已经遍历过的,这样就可以避免扩容后对已经遍历过的槽位进行重复遍历。 再考虑缩容,假设当前即将遍历 110 这个位置 (橙色),那么缩容后,当前槽位所有的元素对应的新槽位是 10(深绿色),也就是去掉槽位二进制最高位。这时我们可以直接从 10 这个槽位继续往后遍历,10 槽位之前的所有槽位都是已经遍历过的,这样就可以避免缩容的重复遍历。不过缩容还是不太一样,它会对图中 010 这个槽位上的元素进行重复遍历,因为缩融后 10 槽位的元素是 010 和 110 上挂接的元素的融合。 ## 渐进式 rehash Java 的 HashMap 在扩容时会一次性将旧数组下挂接的元素全部转移到新数组下面。如果 HashMap 中元素特别多,线程就会出现卡顿现象。Redis 为了解决这个问题,它采用**渐进式 rehash**。 它会同时保留旧数组和新数组,然后在定时任务中以及后续对 hash 的指令操作中渐渐地将旧数组中挂接的元素迁移到新数组上。这意味着要操作处于 rehash 中的字典,需要同时访问新旧两个数组结构。如果在旧数组下面找不到元素,还需要去新数组下面去寻找。 scan 也需要考虑这个问题,对与 rehash 中的字典,它需要同时扫描新旧槽位,然后将结果融合后返回给客户端。 ## 更多的 scan 指令 scan 指令是一系列指令,除了可以遍历所有的 key 之外,还可以对指定的容器集合进行遍历。比如 zscan 遍历 zset 集合元素,hscan 遍历 hash 字典的元素、sscan 遍历 set 集合的元素。 它们的原理同 scan 都会类似的,因为 hash 底层就是字典,set 也是一个特殊的 hash(所有的 value 指向同一个元素),zset 内部也使用了字典来存储所有的元素内容,所以这里不再赘述。 ## 大 key 扫描 有时候会因为业务人员使用不当,在 Redis 实例中会形成很大的对象,比如一个很大的 hash,一个很大的 zset 这都是经常出现的。这样的对象对 Redis 的集群数据迁移带来了很大的问题,因为在集群环境下,如果某个 key 太大,会数据导致迁移卡顿。另外在内存分配上,如果一个 key 太大,那么当它需要扩容时,会一次性申请更大的一块内存,这也会导致卡顿。如果这个大 key 被删除,内存会一次性回收,卡顿现象会再一次产生。 **在平时的业务开发中,要尽量避免大 key 的产生**。 如果你观察到 Redis 的内存大起大落,这极有可能是因为大 key 导致的,这时候你就需要定位出具体是那个 key,进一步定位出具体的业务来源,然后再改进相关业务代码设计。 **那如何定位大 key 呢?** 为了避免对线上 Redis 带来卡顿,这就要用到 scan 指令,对于扫描出来的每一个 key,使用 type 指令获得 key 的类型,然后使用相应数据结构的 size 或者 len 方法来得到它的大小,对于每一种类型,保留大小的前 N 名作为扫描结果展示出来。 上面这样的过程需要编写脚本,比较繁琐,不过 Redis 官方已经在 redis-cli 指令中提供了这样的扫描功能,我们可以直接拿来即用。 ~~~ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 –-bigkeys ~~~ 如果你担心这个指令会大幅抬升 Redis 的 ops 导致线上报警,还可以增加一个休眠参数。 ~~~ redis-cli -h 127.0.0.1 -p 7001 –-bigkeys -i 0.1 ~~~ 上面这个指令每隔 100 条 scan 指令就会休眠 0.1s,ops 就不会剧烈抬升,但是扫描的时间会变长。 ## 扩展阅读 感兴趣可以继续深入阅读[美团近期修复的Scan的一个bug](https://link.juejin.im/?target=https%3A%2F%2Fmp.weixin.qq.com%2Fs%2FufoLJiXE0wU4Bc7ZbE9cDQ)