手把手教你掌握Redis SCAN命令技巧

2025-3-1

手把手教你掌握 Redis SCAN 命令技巧

在 Redis 的广阔世界中，键（key）的管理是至关重要的。当你的 Redis 实例存储了数百万甚至数十亿个键时，如何高效地遍历和查找这些键就成了一个挑战。KEYS 命令虽然简单，但在大数据集下会阻塞 Redis 服务器，导致服务不可用。这就是 SCAN 命令大显身手的地方。

SCAN 命令及其家族成员（HSCAN、SSCAN、ZSCAN）提供了一种安全、渐进式地遍历键空间的方法，避免了 KEYS 命令的阻塞问题。本文将深入探讨 SCAN 命令的原理、用法、技巧和最佳实践，让你彻底掌握这个强大的工具。

1. 为什么需要 SCAN？

在深入了解 SCAN 之前，让我们先回顾一下 KEYS 命令的问题。KEYS 命令接受一个模式作为参数，并返回所有匹配该模式的键。例如，KEYS user:* 将返回所有以 user: 开头的键。

问题在于，KEYS 命令会一次性遍历整个键空间，并将所有匹配的键返回给客户端。如果键的数量非常庞大，这个操作会消耗大量的 CPU 和内存资源，导致 Redis 服务器长时间阻塞，无法处理其他请求。这对于生产环境来说是不可接受的。

SCAN 命令的设计目标就是解决这个问题。它采用了一种渐进式的迭代方式，每次只返回一部分匹配的键，并提供一个游标（cursor）来指示下一次迭代的位置。客户端可以使用这个游标来继续获取下一批键，直到整个键空间被遍历完毕。

2. SCAN 命令的基本用法

SCAN 命令的基本语法如下：

SCAN cursor [MATCH pattern] [COUNT count] [TYPE type]

  • cursor: 游标，一个整数值，用于指示当前迭代的位置。第一次迭代时，游标应该设置为 0。
  • MATCH pattern: 可选参数，用于指定键的匹配模式。与 KEYS 命令的模式相同，支持通配符 *（匹配任意多个字符）和 ?（匹配单个字符）。
  • COUNT count: 可选参数，用于指定每次迭代返回的键的数量。这是一个提示值，Redis 不保证每次都返回这么多键，但会尽量接近这个值。
  • TYPE type: 可选参数, 用于筛选特定数据类型的键. 从 Redis 6.0 开始支持。

SCAN 命令的返回值是一个包含两个元素的数组：

  1. 下一个游标的值：如果这个值为 0，表示迭代结束；否则，表示下一次迭代应该使用的游标值。
  2. 一个包含匹配键的数组：这个数组可能为空，表示当前迭代没有找到匹配的键。

下面是一个简单的示例：

redis> SCAN 0
1) "0"
2) 1) "key1"
2) "key2"
3) "key3"
...
10) "key10"
首先往Redis中设置多个键。
redis> MSET key1 val1 key2 val2 key3 val3 key4 val4 key5 val5
OK
redis> MSET key6 val6 key7 val7 key8 val8 key9 val9 key10 val10
OK
然后，运行SCAN命令。第一次迭代，游标设置为 0。Redis 返回下一个游标的值为 "0"，表示迭代已经结束（因为我们只有10个key），并返回了一个包含 10 个键的数组。

如果键的数量更多，Redis 可能会在第一次迭代时只返回一部分键，并提供一个非零的游标值。客户端需要使用这个游标值再次调用 SCAN 命令，以获取下一批键，直到游标值为 0。

3. SCAN 命令的原理

SCAN 命令的渐进式迭代是如何实现的呢？理解其背后的原理对于正确使用 SCAN 命令至关重要。

Redis 使用一个哈希表来存储所有的键值对。每个哈希表都有一个大小（size），表示它可以容纳的键值对数量。当哈希表快满时，Redis 会进行 rehash 操作，创建一个更大的哈希表，并将旧哈希表中的键值对迁移到新哈希表中。

SCAN 命令的游标实际上是哈希表的一个索引（index）。Redis 会根据游标的值，从哈希表的对应位置开始遍历，并返回一定数量的键。每次迭代后，Redis 会根据当前哈希表的大小和遍历的进度，计算出下一个游标的值。

关键在于，SCAN 命令的迭代过程是无状态的。Redis 服务器不保存任何关于迭代状态的信息。这意味着：

  • 客户端可以在任何时候中断迭代，并在稍后使用相同的游标值继续迭代。
  • 多个客户端可以同时使用不同的游标值对同一个键空间进行迭代，互不影响。

这种无状态的设计使得 SCAN 命令非常灵活和可靠。

4. SCAN 家族：HSCAN、SSCAN、ZSCAN

除了 SCAN 命令，Redis 还提供了三个类似的命令，用于遍历不同数据类型中的元素：

  • HSCAN: 用于遍历哈希（Hash）类型中的字段和值。
  • SSCAN: 用于遍历集合（Set）类型中的成员。
  • ZSCAN: 用于遍历有序集合（Sorted Set）类型中的成员和分数。

这些命令的用法与 SCAN 命令非常相似，只是它们遍历的对象不同。

4.1 HSCAN

HSCAN 命令的语法如下：

HSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]

  • key: 哈希键的名称。
  • cursor: 游标，与 SCAN 命令的游标类似。
  • MATCH pattern: 可选参数，用于指定字段的匹配模式。
  • COUNT count: 可选参数，用于指定每次迭代返回的字段-值对的数量。

HSCAN 命令的返回值是一个包含两个元素的数组：

  1. 下一个游标的值。
  2. 一个包含字段和值的数组。这个数组的长度是偶数，每两个元素表示一个字段-值对。

4.2 SSCAN

SSCAN 命令的语法如下：

SSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]

  • key: set的键名
  • 其他参数同上

SSCAN 命令的返回值是一个包含两个元素的数组：
1. 下一个游标的值。
2. 一个包含set成员的数组.

4.3 ZSCAN

ZSCAN 命令的语法如下：

ZSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]

  • key: sorted set的键名
  • 其他参数同上

ZSCAN 命令的返回值是一个包含两个元素的数组：
1. 下一个游标的值。
2. 一个包含成员和分数的数组。这个数组的长度是偶数，每两个元素表示一个成员-分数对。

5. SCAN 命令的技巧和最佳实践

掌握 SCAN 命令的基本用法后，我们来看看一些高级技巧和最佳实践，帮助你更有效地使用它。

5.1 合理设置 COUNT 参数

COUNT 参数是一个重要的优化手段。如果 COUNT 值太小，会导致迭代次数过多，增加网络开销；如果 COUNT 值太大，可能会导致单次迭代返回的键过多，影响 Redis 的性能。

一般来说，COUNT 值应该根据你的 Redis 实例的性能和网络状况进行调整。一个合理的初始值可以是 100 或 1000。你可以通过观察每次迭代返回的键的数量和响应时间，来逐步调整 COUNT 值，找到一个最佳的平衡点。

5.2 使用 MATCH 参数进行过滤

MATCH 参数可以帮助你只遍历感兴趣的键。例如，如果你只想遍历所有以 user: 开头的键，可以使用 SCAN 0 MATCH user:*。

需要注意的是，MATCH 参数的过滤是在服务器端进行的。Redis 会先遍历键空间，然后对每个键进行模式匹配，只返回匹配的键。因此，即使使用了 MATCH 参数，SCAN 命令仍然可能需要遍历整个键空间。

5.3 处理 rehash

在 SCAN 命令的迭代过程中，如果 Redis 进行了 rehash 操作，可能会导致一些键被重复返回或遗漏。这是因为 rehash 会改变哈希表的大小和键的分布。

为了解决这个问题，你可以在客户端记录每次迭代返回的键，并在迭代结束后进行去重。对于遗漏的键，通常可以通过重新迭代来找回。

另外，可以监控 Redis 的 info 命令输出中的 keyspace_misses 和 keyspace_hits 指标。如果 keyspace_misses 显著增加，可能表示 rehash 导致了较多的键遗漏。

5.4 并发迭代

SCAN 命令的无状态特性使得多个客户端可以同时对同一个键空间进行迭代。你可以利用这个特性来实现并发扫描，提高扫描速度。

例如，你可以启动多个客户端，每个客户端使用不同的游标值进行迭代。当所有客户端都返回游标 0 时，表示整个键空间被遍历完毕。

5.5 避免长时间迭代

虽然 SCAN 命令不会阻塞 Redis 服务器，但长时间的迭代仍然会占用一定的资源。如果你的应用程序不需要一次性遍历整个键空间，可以考虑将迭代过程分解成多个较短的迭代。

例如，你可以每次迭代只获取一部分键，处理完这些键后，再进行下一次迭代。这样可以避免长时间占用 Redis 资源，提高系统的响应速度。

5.6 使用 Pipeline 减少网络往返

如果在迭代过程中需要对每个键执行一些操作（例如，获取键的值），可以使用 Pipeline 来减少网络往返次数。

Pipeline 可以将多个命令打包成一个请求发送给 Redis 服务器，然后一次性接收所有命令的响应。这样可以减少网络延迟，提高性能。

```python

Python 示例，使用 redis-py 库

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

cursor = '0'
while cursor != 0:
cursor, keys = r.scan(cursor=cursor, count=100)
with r.pipeline() as pipe:
for key in keys:
pipe.get(key) # 获取每个键的值
values = pipe.execute()
# 处理键和值
for key, value in zip(keys, values):
print(f"Key: {key.decode()}, Value: {value.decode()}")

```
这段代码演示了使用pipeline来获取每个键的值。

6. SCAN 命令的局限性

虽然 SCAN 命令非常强大，但它也有一些局限性：

  • 不保证返回所有匹配的键：由于 rehash 和迭代的特性，SCAN 命令不保证返回所有匹配的键。有些键可能会被遗漏，有些键可能会被重复返回。
  • 不保证返回键的顺序：SCAN 命令返回的键的顺序是不确定的，不应该依赖于这个顺序。
  • 可能返回已过期的键：如果一个键在迭代过程中过期，SCAN 命令仍然可能返回这个键。你需要在使用键之前检查它是否仍然有效。

7. 渐进式迭代的艺术

SCAN 命令不仅仅是一个简单的命令，它代表了一种渐进式迭代的思想。这种思想可以应用于各种场景，例如：

  • 大数据集的处理：当需要处理一个非常大的数据集时，可以将数据集分成多个较小的块，逐个处理。
  • 长时间运行的任务：当需要执行一个长时间运行的任务时，可以将任务分解成多个较小的子任务，逐步执行。
  • 流式数据的处理：当需要处理一个持续不断的数据流时，可以每次只处理一部分数据，然后继续处理下一部分数据。

渐进式迭代的核心思想是：

  • 分而治之：将一个大问题分解成多个小问题。
  • 逐步推进：每次只解决一个小问题，逐步推进整个过程。
  • 避免阻塞：避免长时间占用资源，保持系统的响应性。

掌握渐进式迭代的思想，可以帮助你更好地设计和实现各种复杂的系统。

8. 替代方案与未来展望

尽管 SCAN 是遍历 Redis 键空间的首选方法，但在某些特定场景下，可能存在其他更优的解决方案：

  1. 良好的键设计: 如果可以从业务层面优化键的命名，使得相关键具有相同的前缀或模式，那么通过 SCAN 配合 MATCH 参数就能高效地找到目标键。这是最理想的情况。

  2. 专用数据结构: 如果需要频繁地查找特定类型的键，可以考虑使用 Redis 的其他数据结构，例如：

    • 集合 (Sets): 如果你需要查找所有属于某个类别的键，可以将这些键的名称存储在一个集合中。
    • 有序集合 (Sorted Sets): 如果你需要根据某种条件（例如时间戳）对键进行排序和查找，可以将键的名称作为成员，条件值作为分数，存储在一个有序集合中。
    • 哈希 (Hashes): 如果需要对键进行分组管理，可以将相关的键存储在同一个哈希中。

  3. Lua 脚本: 对于复杂的键查找逻辑，可以使用 Lua 脚本在服务器端执行。Lua 脚本可以访问 Redis 的所有数据结构和命令，并可以实现自定义的查找算法。

  4. Redis Modules: Redis 模块API 提供了 RM_Scan 接口, 允许自定义迭代器, 从而实现更高效的键遍历。

至于 Redis 的未来，SCAN 命令本身已经相当成熟和稳定。但 Redis 社区一直在探索更高效、更易用的键管理方法。例如，Redis 6.0 引入了 SCAN 命令的 TYPE 选项，可以过滤特定数据类型的键。未来，我们可能会看到更多类似的改进，使得键的遍历和查找更加灵活和高效。

9. SCAN 命令的实战案例

为了更好地理解 SCAN 命令的应用，我们来看几个实战案例。

9.1 清理过期键

假设你的 Redis 实例中存储了大量的会话数据，每个会话数据都有一个过期时间。你可以使用 SCAN 命令来定期清理过期的会话数据。

```python

Python 示例

import redis
import time

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

def cleanup_expired_sessions():
cursor = '0'
while cursor != 0:
cursor, keys = r.scan(cursor=cursor, match='session:*', count=100)
for key in keys:
ttl = r.ttl(key)
if ttl == -2: # 键不存在或已过期
r.delete(key)
elif ttl == -1: #不过期的key不做操作
pass
elif ttl < 0: #已经过期的key
r.delete(key)
# else: # 键未过期，跳过
# pass

定期执行清理任务

while True:
cleanup_expired_sessions()
time.sleep(60) # 每分钟执行一次
```

这段代码使用 SCAN 命令遍历所有以 session: 开头的键，并检查每个键的过期时间。如果键已过期，就将其删除。

9.2 统计键的数量

如果你需要统计 Redis 实例中特定类型的键的数量，可以使用 SCAN 命令来实现。

```python

Python 示例

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

def count_keys(pattern):
cursor = '0'
count = 0
while cursor != 0:
cursor, keys = r.scan(cursor=cursor, match=pattern, count=1000)
count += len(keys)
return count

统计所有以 user: 开头的键的数量

user_count = count_keys('user:*')
print(f"Number of user keys: {user_count}")
```

这段代码使用 SCAN 命令遍历所有匹配指定模式的键，并累加每次迭代返回的键的数量。

9.3 查找大键 (Big Keys)

Redis 中的大键（例如，包含大量元素的列表或集合）可能会影响性能。你可以使用 SCAN 命令来查找这些大键。

```python

Python 示例

import redis

r = redis.Redis(host='localhost', port=6379)

def find_big_keys(threshold):
cursor = '0'
while cursor != 0:
cursor, keys = r.scan(cursor=cursor, count=100)
for key in keys:
key_type = r.type(key).decode()
if key_type == 'string':
length = r.strlen(key)
elif key_type == 'list':
length = r.llen(key)
elif key_type == 'set':
length = r.scard(key)
elif key_type == 'zset':
length = r.zcard(key)
elif key_type == 'hash':
length = r.hlen(key)
else:
length = 0

        if length > threshold:
            print(f"Big key found: {key.decode()}, type: {key_type}, size: {length}")

查找大小超过 1000 的键

find_big_keys(1000)

```

这段代码使用 SCAN 命令遍历所有键，并根据键的类型获取其大小。如果键的大小超过指定的阈值，就打印出键的信息。

漫游拾遗

SCAN 命令是 Redis 中一个非常重要的工具，它可以帮助你安全、高效地遍历和查找键。通过掌握 SCAN 命令的原理、用法、技巧和最佳实践，你可以更好地管理你的 Redis 数据，避免 KEYS 命令带来的性能问题。

希望本文能够帮助你深入理解 SCAN 命令，并在实际应用中发挥它的威力。记住，SCAN 命令不仅仅是一个命令，它更是一种渐进式迭代的思想，可以应用于各种场景。掌握这种思想，可以帮助你更好地解决各种大数据和高性能问题。

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