Redis 为什么不建议使用 keys 命令

前言

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  stupid1
OK 
127.0.0.1:6379> set  stupid2
OK 
127.0.0.1:6379> set stupid3
OK 
127.0.0.1:6379> keys * 
1) "stupid1" 
2) "stupid2" 
3) "stupid3" 

这个指令使用非常简单，指令后面跟着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;

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++。

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。

从 gif 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。这样速度就会快很多。

a % 8 = a & (8-1) = a & 7
a % 16 = a & (16-1) = a & 15
a % 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。

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

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，因为缩容后 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。