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Redis中遍历大数据量的key：keys与scan命令

Redis遍历命令 Key 数据量 Keys scan
2023-09-14 08:56:57 时间

 

keys命令

keys * 、keys id:* 分别是查询全部的key以及查询前缀为id:的key。

缺点：

1、没有 offset、limit 参数，一次返回所有满足条件的 key。

2.keys算法是遍历算法，复杂度是O(n)，也就是数据越多，时间复杂度越高。

3.数据量达到几百万，keys这个指令就会导致 Redis 服务卡顿，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。

 

scan命令

那我们如何去遍历大数据量呢？我们可以采用redis的另一个命令scan。我们看一下scan的特点

  • 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

  • 提供 count 参数，不是结果数量，是redis单次遍历字典槽位数量(约等于)

  • 同 keys 一样，它也提供模式匹配功能;

  • 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;

  • 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;

  • 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命令格式

SCAN cursor [MATCH pattern] [COUNT count]

命令解释：scan 游标 MATCH <返回和给定模式相匹配的元素> count 每次迭代所返回的元素数量

SCAN命令是增量的循环，每次调用只会返回一小部分的元素。所以不会让redis假死。

SCAN命令返回的是一个游标，从0开始遍历，到0结束遍历。

redis > scan 0 match user_token* count 5 
 1) "6"
 2) 1) "user_token:1000"
 2) "user_token:1001"
 3) "user_token:1010"
 4) "user_token:2300"
 5) "user_token:1389"

从0开始遍历，返回了游标6，又返回了数据，继续scan遍历，就要从6开始

redis > scan 6 match user_token* count 5 
 1) "10"
 2) 1) "user_token:3100"
 2) "user_token:1201"
 3) "user_token:1410"
 4) "user_token:5300"
 5) "user_token:3389"

Redis的结构

Redis使用了Hash表作为底层实现，原因不外乎高效且实现简单。说到Hash表，很多Java程序员第一反应就是HashMap。没错，Redis底层key的存储结构就是类似于HashMap那样数组+链表的结构。其中第一维的数组大小为2n(n>=0)。每次扩容数组长度扩大一倍。

scan命令就是对这个一维数组进行遍历。每次返回的游标值也都是这个数组的索引。limit参数表示遍历多少个数组的元素，将这些元素下挂接的符合条件的结果都返回。因为每个元素下挂接的链表大小不同，所以每次返回的结果数量也就不同。

SCAN的遍历顺序

关于scan命令的遍历顺序，我们可以用一个小栗子来具体看一下。

 
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127.0.0.1:6379> keys *
1) "db_number"
2) "key1"
3) "myKey"
127.0.0.1:6379> scan 0 MATCH * COUNT 1
1) "2"
2) 1) "db_number"
127.0.0.1:6379> scan 2 MATCH * COUNT 1
1) "1"
2) 1) "myKey"
127.0.0.1:6379> scan 1 MATCH * COUNT 1
1) "3"
2) 1) "key1"
127.0.0.1:6379> scan 3 MATCH * COUNT 1
1) "0"
2) (empty list or set)

我们的Redis中有3个key，我们每次只遍历一个一维数组中的元素。如上所示，SCAN命令的遍历顺序是

0->2->1->3

这个顺序看起来有些奇怪。我们把它转换成二进制就好理解一些了。

00->10->01->11

我们发现每次这个序列是高位加1的。普通二进制的加法，是从右往左相加、进位。而这个序列是从左往右相加、进位的。这一点我们在redis的源码中也得到印证。

在dict.c文件的dictScan函数中对游标进行了如下处理

 
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v = rev(v);
v++;
v = rev(v);
 

意思是，将游标倒置，加一后，再倒置，也就是我们所说的“高位加1”的操作。

这里大家可能会有疑问了，为什么要使用这样的顺序进行遍历，而不是用正常的0、1、2……这样的顺序呢，这是因为需要考虑遍历时发生字典扩容与缩容的情况（不得不佩服开发者考虑问题的全面性）。

我们来看一下在SCAN遍历过程中，发生扩容时，遍历会如何进行。加入我们原始的数组有4个元素，也就是索引有两位，这时需要把它扩充成3位，并进行rehash。

原来挂接在xx下的所有元素被分配到0xx和1xx下。在上图中，当我们即将遍历10时，dict进行了rehash，这时，scan命令会从010开始遍历，而000和100（原00下挂接的元素）不会再被重复遍历。

再来看看缩容的情况。假设dict从3位缩容到2位，当即将遍历110时，dict发生了缩容，这时scan会遍历10。这时010下挂接的元素会被重复遍历，但010之前的元素都不会被重复遍历了。所以，缩容时还是可能会有些重复元素出现的。

Redis的rehash

rehash是一个比较复杂的过程，为了不阻塞Redis的进程，它采用了一种渐进式的rehash的机制。

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/* 字典 */
typedef struct dict {
 // 类型特定函数
 dictType *type;
 // 私有数据
 void *privdata;
 // 哈希表
 dictht ht[2];
 // rehash 索引
 // 当 rehash 不在进行时，值为 -1
 int rehashidx; /* rehashing not in progress if rehashidx == -1 */
 // 目前正在运行的安全迭代器的数量
 int iterators; /* number of iterators currently running */
} dict

在Redis的字典结构中，有两个hash表，一个新表，一个旧表。在rehash的过程中，redis将旧表中的元素逐步迁移到新表中，接下来我们看一下dict的rehash操作的源码。

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/* Performs N steps of incremental rehashing. Returns 1 if there are still
 * keys to move from the old to the new hash table, otherwise 0 is returned.
 *
 * Note that a rehashing step consists in moving a bucket (that may have more
 * than one key as we use chaining) from the old to the new hash table, however
 * since part of the hash table may be composed of empty spaces, it is not
 * guaranteed that this function will rehash even a single bucket, since it
 * will visit at max N*10 empty buckets in total, otherwise the amount of
 * work it does would be unbound and the function may block for a long time. */
int dictRehash(dict *d, int n) {
 int empty_visits = n*10; /* Max number of empty buckets to visit. */
 if (!dictIsRehashing(d)) return 0;
 
 while(n-- && d->ht[0].used != 0) {
 dictEntry *de, *nextde;
 
 /* Note that rehashidx can't overflow as we are sure there are more
  * elements because ht[0].used != 0 */
 assert(d->ht[0].size > (unsigned long)d->rehashidx);
 while(d->ht[0].table[d->rehashidx] == NULL) {
  d->rehashidx++;
  if (--empty_visits == 0) return 1;
 }
 de = d->ht[0].table[d->rehashidx];
 /* Move all the keys in this bucket from the old to the new hash HT */
 while(de) {
  uint64_t h;
 
  nextde = de->next;
  /* Get the index in the new hash table */
  h = dictHashKey(d, de->key) & d->ht[1].sizemask;
  de->next = d->ht[1].table[h];
  d->ht[1].table[h] = de;
  d->ht[0].used--;
  d->ht[1].used++;
  de = nextde;
 }
 d->ht[0].table[d->rehashidx] = NULL;
 d->rehashidx++;
 }
 
 /* Check if we already rehashed the whole table... */
 if (d->ht[0].used == 0) {
 zfree(d->ht[0].table);
 d->ht[0] = d->ht[1];
 _dictReset(&d->ht[1]);
 d->rehashidx = -1;
 return 0;
 }
 
 /* More to rehash... */
 return 1;
}
 

通过注释我们就能了解到，rehash的过程是以bucket为基本单位进行迁移的。所谓的bucket其实就是我们前面所提到的一维数组的元素。每次迁移一个列表。下面来解释一下这段代码。

  • 首先判断一下是否在进行rehash，如果是，则继续进行；否则直接返回。
  • 接着就是分n步开始进行渐进式rehash。同时还判断是否还有剩余元素，以保证安全性。
  • 在进行rehash之前，首先判断要迁移的bucket是否越界。
  • 然后跳过空的bucket，这里有一个empty_visits变量，表示最大可访问的空bucket的数量，这一变量主要是为了保证不过多的阻塞Redis。
  • 接下来就是元素的迁移，将当前bucket的全部元素进行rehash，并且更新两张表中元素的数量。
  • 每次迁移完一个bucket，需要将旧表中的bucket指向NULL。
  • 最后判断一下是否全部迁移完成，如果是，则收回空间，重置rehash索引，否则告诉调用方，仍有数据未迁移。

由于Redis使用的是渐进式rehash机制，因此，scan命令在需要同时扫描新表和旧表，将结果返回客户端。


refer：

如何正确访问Redis中的海量数据？服务才不会挂掉！

Redis中scan命令的深入讲解







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