`ZSCAN`：增量迭代有序集合避免阻塞

好的，各位听众朋友们，欢迎来到今天的“Redis奇遇记”特别节目！我是你们的老朋友，人称“码农诗人”的程序猿小李。今天要跟大家聊聊Redis里一个低调但实力超群的家伙：ZSCAN。

我们都知道，Redis是一个速度快到飞起的内存数据库，但再快的飞船也怕陨石撞击，再牛的数据库也怕“阻塞”！想象一下，你正在双十一抢购，眼看就要成功，突然页面卡住，转圈圈…🤬 那感觉，简直比失恋还痛苦！而ZSCAN，就是Redis为了避免类似悲剧发生，精心打造的一把“解阻塞”神器。

一、Redis与阻塞：一场不得不说的爱恨情仇

Redis之所以快，很大程度上归功于它的单线程架构。单线程就像一位专注的艺术家，心无旁骛地处理所有请求。但问题也出在这里，如果艺术家被一个超大型雕塑卡住了，他就没法回应其他人的需求了，对吧？

在Redis里，这个“超大型雕塑”就指的是那些需要遍历大量数据的命令，比如KEYS *，SMEMBERS，以及今天的主角ZSCAN的“祖先”——ZRANGE和ZRANGEBYSCORE。

这些命令一旦被执行，Redis服务器就得花大量时间去扫描整个数据库，或者整个集合。在这段时间里，服务器就没法处理其他请求，导致“阻塞”。阻塞的后果嘛，轻则响应变慢，重则服务器崩溃，用户体验直线下降，老板脸色铁青…😱

所以，我们需要一种更文明、更优雅的方式来处理大型集合，既能获取数据，又能避免阻塞。而ZSCAN，就是Redis给出的完美答案。

二、ZSCAN：化整为零的智慧

ZSCAN的全称是“增量迭代有序集合”。听起来有点高深，但其实原理很简单，就是把一个大的任务拆分成很多小的任务，分批次执行。

想象一下，你要搬运一座小山。如果让你一次性搬完，估计累死你也搬不完。但如果把小山拆成无数个小石头，每天搬几块，慢慢地也就搬完了。

ZSCAN的思路就是这样：它不会一次性扫描整个有序集合，而是每次只返回一小部分数据，并告诉你下次从哪里开始扫描。这样，Redis服务器就不会长时间被占用，可以继续处理其他请求，避免阻塞。

更重要的是，ZSCAN还具有以下优点：

• 无状态性： 每次调用ZSCAN，服务器不需要保存任何中间状态。所有的状态都由客户端维护，通过游标(cursor)来表示。
• 方向不变性： 即使在迭代过程中，有序集合发生了变化，ZSCAN也能保证最终遍历到所有元素（当然，新加入的元素可能在本次迭代中不会被遍历到）。
• 资源占用小： 每次只返回少量数据，不会占用大量内存。

三、ZSCAN的语法和参数：玩转“游标”的艺术

ZSCAN的语法如下：

ZSCAN key cursor [MATCH pattern] [COUNT count]

让我们逐一解释一下这些参数：

• key： 要扫描的有序集合的键名。
• cursor： 游标，用于指定从哪里开始扫描。第一次调用ZSCAN时，cursor的值必须是0。每次ZSCAN执行完，都会返回一个新的cursor值。将这个值作为下一次ZSCAN的cursor参数，就可以继续迭代。当ZSCAN返回的cursor值为0时，表示迭代已经完成。
• MATCH pattern： 可选参数，用于过滤元素。只有成员(member)与pattern匹配的元素才会被返回。pattern可以使用通配符，例如*表示匹配任意字符，?表示匹配一个字符。
• COUNT count： 可选参数，用于指定每次迭代返回元素的数量。count只是一个提示，Redis并不保证每次迭代一定返回count个元素。实际返回元素的数量可能会小于或大于count，尤其是在有序集合比较小的情况下。

重点来了！游标(cursor)是ZSCAN的核心！ 游标就像一个书签，告诉你上次读到哪里了。每次调用ZSCAN，服务器都会返回一个新的书签，你下次就可以从这个书签的位置继续阅读。

表格总结：ZSCAN参数详解

参数	描述	是否必须
key	要扫描的有序集合的键名	是
cursor	游标，用于指定从哪里开始扫描。第一次调用为0，后续使用上次返回的游标值，直到返回0表示迭代完成。	是
MATCH pattern	可选参数，用于过滤元素。只有成员(member)与pattern匹配的元素才会被返回。可以使用通配符。	否
COUNT count	可选参数，用于指定每次迭代返回元素的数量。只是一个提示，实际返回元素的数量可能会小于或大于count。	否

四、ZSCAN实战演练：从理论到实践

光说不练假把式！让我们通过几个例子来演示ZSCAN的用法。

场景一：扫描整个有序集合

假设我们有一个名为users的有序集合，里面存储了用户的ID和积分。我们要扫描整个有序集合，获取所有用户的ID和积分。

127.0.0.1:6379> ZADD users 100 user1
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZADD users 200 user2
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZADD users 150 user3
(integer) 1
127.0.0.1:6379> ZADD users 250 user4
(integer) 1

# 第一次调用ZSCAN，cursor为0
127.0.0.1:6379> ZSCAN users 0
1) "8"  # 返回的cursor值
2) 1) "user4"
   2) "250"
   3) "user2"
   4) "200"

# 第二次调用ZSCAN，使用上次返回的cursor值
127.0.0.1:6379> ZSCAN users 8
1) "0"  # 返回的cursor值为0，表示迭代完成
2) 1) "user3"
   2) "150"
   3) "user1"
   4) "100"

可以看到，我们分两次调用ZSCAN，最终获取了所有用户的ID和积分。第一次ZSCAN返回的cursor值为8，我们将其作为第二次ZSCAN的参数。第二次ZSCAN返回的cursor值为0，表示迭代已经完成。

场景二：使用MATCH过滤元素

假设我们要扫描users有序集合，只获取ID以user开头的用户。

127.0.0.1:6379> ZSCAN users 0 MATCH user*
1) "8"
2) 1) "user4"
   2) "250"
   3) "user2"
   4) "200"
   5) "user3"
   6) "150"
   7) "user1"
   8) "100"

通过MATCH user*，我们只获取了ID以user开头的用户。

场景三：使用COUNT指定返回数量

假设我们要扫描users有序集合，每次迭代返回最多2个元素。

127.0.0.1:6379> ZSCAN users 0 COUNT 2
1) "8"
2) 1) "user4"
   2) "250"
   3) "user2"
   4) "200"

127.0.0.1:6379> ZSCAN users 8 COUNT 2
1) "0"
2) 1) "user3"
   2) "150"
   3) "user1"
   4) "100"

可以看到，我们通过COUNT 2，指定每次迭代返回最多2个元素。

注意事项：

• COUNT只是一个提示，Redis并不保证每次迭代一定返回count个元素。
• 如果有序集合比较小，ZSCAN可能会一次性返回所有元素，即使你指定了COUNT。
• 在迭代过程中，如果有序集合发生了变化，ZSCAN的行为是未定义的。一般来说，ZSCAN会尽力保证最终遍历到所有元素，但新加入的元素可能在本次迭代中不会被遍历到。

五、ZSCAN的底层原理：深入理解“游标”的奥秘

了解了ZSCAN的用法，我们再来深入了解一下它的底层原理。

ZSCAN的底层实现基于Redis的字典(dictionary)和跳跃表(skiplist)。

• 字典： Redis使用字典来存储有序集合的成员(member)和分数(score)之间的映射关系。字典是一种哈希表，可以快速查找成员对应的分数。
• 跳跃表： Redis使用跳跃表来维护有序集合中元素的顺序。跳跃表是一种有序数据结构，可以在O(log N)的时间复杂度内查找、插入和删除元素。

ZSCAN的游标(cursor)实际上是一个哈希表的桶(bucket)的索引。每次调用ZSCAN，服务器会从指定的桶开始，遍历哈希表和跳跃表，返回一小部分数据，并计算出下一个桶的索引作为新的游标。

简单来说，ZSCAN就是通过不断移动游标，遍历哈希表和跳跃表，从而实现增量迭代。

六、ZSCAN的应用场景：无限可能

ZSCAN的应用场景非常广泛，只要涉及到需要遍历大型有序集合的场景，都可以使用ZSCAN来避免阻塞。

• 分页查询： 可以使用ZSCAN来实现有序集合的分页查询，每次只返回一页数据。
• 数据导出： 可以使用ZSCAN来导出大型有序集合的数据，避免一次性加载所有数据导致内存溢出。
• 数据分析： 可以使用ZSCAN来分析大型有序集合的数据，例如统计特定分数范围内的元素数量。
• 缓存清理： 可以使用ZSCAN来清理过期的缓存数据，避免阻塞主线程。

七、ZSCAN的替代方案：各有千秋

虽然ZSCAN很强大，但它并不是唯一的选择。在某些情况下，其他命令可能更适合。

• ZRANGE和ZRANGEBYSCORE： 如果有序集合比较小，或者你需要一次性获取所有数据，可以使用ZRANGE和ZRANGEBYSCORE。但要注意，这些命令可能会导致阻塞。
• SSCAN、HSCAN： 对于集合(set)和哈希表(hash)，可以使用SSCAN和HSCAN来进行增量迭代。它们的原理和用法与ZSCAN类似。

表格总结：ZSCAN与其他命令的比较

命令	适用数据结构	优点	缺点
ZSCAN	有序集合	增量迭代，避免阻塞，无状态性，方向不变性，资源占用小	需要多次调用，实现相对复杂
ZRANGE	有序集合	简单易用，一次性获取所有数据	可能会导致阻塞，不适合大型有序集合
ZRANGEBYSCORE	有序集合	可以根据分数范围获取数据，简单易用	可能会导致阻塞，不适合大型有序集合
SSCAN	集合	增量迭代，避免阻塞，无状态性	需要多次调用，实现相对复杂
HSCAN	哈希表	增量迭代，避免阻塞，无状态性	需要多次调用，实现相对复杂

八、ZSCAN的注意事项：细节决定成败

在使用ZSCAN时，需要注意以下几点：

• 游标的管理： 务必正确管理游标，确保每次使用上次返回的游标值，直到返回0为止。
• 并发修改： 在迭代过程中，尽量避免对有序集合进行修改，否则ZSCAN的行为是未定义的。
• 性能优化： 根据实际情况调整COUNT参数，以达到最佳性能。
• 错误处理： 对ZSCAN的返回值进行错误处理，例如检查游标是否有效。

九、总结：ZSCAN，你的Redis好帮手

ZSCAN是Redis中一个非常重要的命令，它可以帮助我们安全高效地处理大型有序集合，避免阻塞。掌握ZSCAN的用法和原理，可以让你在Redis的世界里更加游刃有余。

希望今天的分享对大家有所帮助！记住，程序猿的快乐，就是解决问题的快乐！💪

感谢大家的收听！我们下期再见！ 👋