Lua在Redis的应用

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首发于 樊浩柏科学院

Redis 从 2.6 版本起,也已开始支持 Lua 脚本,我们可以更加得心应手地使用或扩展 Redis,特别是在高并发场景下 Lua 脚本提供了更高效、可靠的解决方案。

为什么要使用 Lua
我们先看一个抢购场景下 商品库存 的问题,用 PHP 可简单实现为:
$key = ‘number:string’;
$redis = new Redis();
$number = $redis->get($key);
if ($number <= 0) {
return 0;
}
$redis->decr($key);
return $number–;
这段代码其实存在问题,高并发时会出现库存超卖的情况,因为上述操作在 Redis 中不是原子操作,会导致库存逻辑的判断失效。尽管可以通过优化代码来解决问题,比如使用 Decr 原子操作命令、或者使用 锁 的方式,但这里使用 Lua 脚本来解决。
local key = ‘number:string’
local number = tonumber(redis.call(“GET”, key))
if number <= 0 then
return 0
end
redis.call(“DECR”, key)
return number–
这段脚本代码虽然是 Lua 语言编写(进入 Lua 的世界),但是其实就是 PHP 版本的翻译版。那为什么这样,Lua 脚本就能解决库存问题了呢?
Redis 中嵌入 Lua 脚本,所具有的几个特性为:

原子操作:Redis 将整个 Lua 脚本作为一个原子执行,无需考虑并发,无需使用事务来保证数据一致性;

高性能:嵌入 Lua 脚本后,可以减少多个命令执行的网络开销,进而间接提高 Redis 性能;

可复用:Lua 脚本会保存于 Redis 中,客户端都可以使用这些脚本;

在 Redis 中嵌入 Lua

使用 Lua 解析器
Redis 提供了 EVAL(直接执行脚本)和 EVALSHA(执行 SHA1 值的脚本)这两个命令,可以使用内置的 Lua 解析器执行 Lua 脚本。语法格式为:

EVAL script numkeys key [key …] arg [arg …]

EVALSHA sha1 numkeys key [key …] arg [arg …]

参数说明:

script / sha1:EVAL 命令的第一个参数为需要执行的 Lua 脚本字符,EVALSHA 命令的一个参数为 Lua 脚本的 SHA1 值

numkeys:表示 key 的个数
key [key …]:从第三个参数开始算起,表示在脚本中所用到的那些 Redis 键(key),这些键名参数可以在 Lua 中通过全局数组 KYES[i] 访问
arg [arg …]:附加参数,在 Lua 中通过全局数组 ARGV[i] 访问

EVAL 命令的使用示例:
> EVAL “return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}” 2 key1 key2 first second
1) “key1”
2) “key2”
3) “first”
4) “second”
每次使用 EVAL 命令都会传递需执行的 Lua 脚本内容,这样增加了宽带的浪费。Redis 内部会永久保存被运行在脚本缓存中,所以使用 EVALSHA(建议使用)命令就可以根据脚本 SHA1 值执行对应的 Lua 脚本。
> SCRIPT LOAD “return ‘hello'”
“1b936e3fe509bcbc9cd0664897bbe8fd0cac101b”
> EVALSHA 1b936e3fe509bcbc9cd0664897bbe8fd0cac101b 0
“hello”
Redis 中执行 Lua 脚本都是以原子方式执行,所以是原子操作。另外,redis-cli 命令行客户端支持直接使用 –eval lua_file 参数执行 Lua 脚本。
Redis 中有关脚本的命令除了 EVAL 和 EVALSHA 外,其他常用命令 如下:

命令
描述

SCRIPT EXISTS script [script …]
查看脚本是是否保存在缓存中

SCRIPT FLUSH
从缓存中移除所有脚本

SCRIPT KILL
杀死当前运行的脚本

SCRIPT LOAD script
将脚本添加到缓存中, 不立即执行返回脚本 SHA1 值

数据类型的转换
由于 Redis 和 Lua 都有各自定义的数据类型,所以在使用执行完 Lua 脚本后,会存在一个数据类型转换的过程。
Lua 到 Redis 类型转换与 Redis 到 Lua 类型转换相同部分关系:

Lua 类型
Redis 返回类型
说明

number
integer
浮点数会转换为整数 3.333–>3

string
bulk

table(array)
multi bulk

boolean false
nil

> EVAL “return 3.333” 0
(integer) 3
> EVAL “return ‘fhb'” 0
“fhb”
> EVAL “return {‘fhb’, ‘lw’, ‘lbf’}” 0
1) “fhb”
2) “lw”
3) “lbf”
> EVAL “return false” 0
(nil)
需要注意的是,从 Lua 转化为 Redis 类型比 Redis 转化为 Lua 类型多了一条 额外 规则:

Lua 类型
Redis 返回类型
说明

boolean true
integer
返回整型 1

> EVAL “return true” 0
(integer) 1
总而言之,类型转换的原则 是将一个 Redis 值转换成 Lua 值,之后再将转换所得的 Lua 值转换回 Redis 值,那么这个转换所得的 Redis 值应该和最初时的 Redis 值一样。
全局变量保护
为了防止不必要的数据泄漏进 Lua 环境,Redis 脚本不允许创建全局变量。
— 定义全局函数
function f(n)
return n * 2
end
return f(4);
执行 redis-cli –eval function.lua 命令,会抛出尝试定义全局变量的错误:
(error) ERR Error running script (call to f_0a602c93c4a2064f8dc648c402aa27d68b69514f): @enable_strict_lua:8: user_script:1: Script attempted to create global variable ‘f’
Lua 脚本调用 Redis 命令
Redis 创建了用于与 Lua 环境协作的组件—— 伪客户端,它负责执行 Lua 脚本中的 Redis 命令。

调用 Redis 命令
在 Redis 内置的 Lua 解析器中,调用 redis.call() 和 redis.pcall() 函数执行 Redis 的命令。它们除了处理错误的行为不一样外,其他行为都保持一致。调用 格式:

redis.call(command, [key …], arg [arg …] )
redis.pcall(command, [key …], arg [arg …] )

> EVAL “return redis.call(‘SET’, ‘name’, ‘fhb’)” 0
> EVAL “return redis.pcall(‘GET’, ‘name’)” 0
“fhb”
Redis 日志
在 Lua 脚本中,可以通过调用 redis.log() 函数来写 Redis 日志。格式为:
redis.log(loglevel, message)
loglevel 参数可以是 redis.LOG_DEBUG、redis.LOG_VERBOSE、redis.LOG_NOTICE、redis.LOG_WARNING 的任意值。
查看 redis.conf 日志配置信息:
# logleval 必须一致才会记录
loglevel notice
logfile “/home/logs/redis.log”
Lua 写 Redis 日志示例:
> EVAL “redis.log(redis.LOG_NOTICE, ‘I am fhb’)” 0
113:M 04 Sep 13:12:36.229 * I am fhb
案例
API 访问速率控制
通过 Lua 实现一个针对用户的 API 访问速率控制,Lua 代码如下:
local key = “rate.limit:string:” .. KEYS[1]
local limit = tonumber(ARGV[1])
local expire_time = tonumber(ARGV[2])
local times = redis.call(“INCR”, key)
if times == 1 then
redis.call(“EXPIRE”, key, expire_time)
end
if times > limit then
return 0
end
return 1
KEYS[1] 可以用 API 的 URI + 用户 uid 组成,ARGV[1] 为单位时间限制访问的次数,ARGV[2] 为限制的单位时间。
批量 HGETTALL
这个例子演示通过 Lua 实现批量 HGETALL,当然也可以使用 管道 实现。
— KEYS 为 uid 数组
local users = {}
for i,uid in ipairs(KEYS) do
local user = redis.call(‘hgetall’, uid)
if user ~= nil then
table.insert(users, i, user)
end
end
return users
注意事项
虽然使用 Lua 脚本给我们带来了许多便利,但是需要注意几个使用事项:

Lua 脚本在执行时是阻塞的,不应该在 Lua 脚本中有耗时的处理逻辑;
在集群模式时,Lua 脚本必须使用参数 key 传递需操作的 Redis 的 key,且要求所操作的 key 都在同一个 slot 节点上,可以使用以 {} 标记的 hash tag 方式解决。

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正文完
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