Redis 设计与实现 : Lua 脚本
Lua 脚本功能是 Reids 2.6 版本的最大亮点， 通过内嵌对 Lua 环境的支持， Redis 解决了长久以来不能高效地处理 CAS （check-and-set）命令的缺点， 并且可以通过组合使用多个命令， 轻松实现以前很难实现或者不能高效实现的模式。
本章先介绍 Lua 环境的初始化步骤， 然后对 Lua 脚本的安全性问题、以及解决这些问题的方法进行说明， 最后对执行 Lua 脚本的两个命令 —— EVAL 和 EVALSHA 的实现原理进行介绍。
初始化 Lua 环境
在初始化 Redis 服务器时， 对 Lua 环境的初始化也会一并进行。
为了让 Lua 环境符合 Redis 脚本功能的需求， Redis 对 Lua 环境进行了一系列的修改， 包括添加函数库、更换随机函数、保护全局变量， 等等。
整个初始化 Lua 环境的步骤如下：
- 调用 lua_open 函数，创建一个新的 Lua 环境。
- 载入指定的 Lua 函数库，包括：
- 基础库（base lib）。
- 表格库（table lib）。
- 字符串库（string lib）。
- 数学库（math lib）。
- 调试库（debug lib）。
- 用于处理 JSON 对象的 cjson 库。
- 在 Lua 值和 C 结构（struct）之间进行转换的 struct 库（http://www.inf.puc-rio.br/~roberto/struct/）。
- 处理 MessagePack 数据的 cmsgpack 库（https://github.com/antirez/lua-cmsgpack）。
- 屏蔽一些可能对 Lua 环境产生安全问题的函数，比如 loadfile 。
- 创建一个 Redis 字典，保存 Lua 脚本，并在复制（replication）脚本时使用。字典的键为 SHA1 校验和，字典的值为 Lua 脚本。
- 创建一个 redis 全局表格到 Lua 环境，表格中包含了各种对 Redis 进行操作的函数，包括：
- 用于执行 Redis 命令的 redis.call 和 redis.pcall 函数。
- 用于发送日志（log）的 redis.log 函数，以及相应的日志级别（level）：
- redis.LOG_DEBUG
- redis.LOG_VERBOSE
- redis.LOG_NOTICE
- redis.LOG_WARNING
- 用于计算 SHA1 校验和的 redis.sha1hex 函数。
- 用于返回错误信息的 redis.error_reply 函数和 redis.status_reply 函数。
- 用 Redis 自己定义的随机生成函数，替换 math 表原有的 math.random 函数和 math.randomseed 函数，新的函数具有这样的性质：每次执行 Lua 脚本时，除非显式地调用 math.randomseed ，否则 math.random 生成的伪随机数序列总是相同的。
- 创建一个对 Redis 多批量回复（multi bulk reply）进行排序的辅助函数。
- 对 Lua 环境中的全局变量进行保护，以免被传入的脚本修改。
- 因为 Redis 命令必须通过客户端来执行，所以需要在服务器状态中创建一个无网络连接的伪客户端（fake client），专门用于执行 Lua 脚本中包含的 Redis 命令：当 Lua 脚本需要执行 Redis 命令时，它通过伪客户端来向服务器发送命令请求，服务器在执行完命令之后，将结果返回给伪客户端，而伪客户端又转而将命令结果返回给 Lua 脚本。
- 将 Lua 环境的指针记录到 Redis 服务器的全局状态中，等候 Redis 的调用。
以上就是 Redis 初始化 Lua 环境的整个过程， 当这些步骤都执行完之后， Redis 就可以使用 Lua 环境来处理脚本了。
严格来说， 步骤 1 至 8 才是初始化 Lua 环境的操作， 而步骤 9 和 10 则是将 Lua 环境关联到服务器的操作， 为了按顺序观察整个初始化过程， 我们将两种操作放在了一起。
另外， 步骤 6 用于创建无副作用的脚本， 而步骤 7 则用于去除部分 Redis 命令中的不确定性（non deterministic）， 关于这两点， 请看下面一节关于脚本安全性的讨论。
脚本的安全性
当将 Lua 脚本复制到附属节点， 或者将 Lua 脚本写入 AOF 文件时， Redis 需要解决这样一个问题： 如果一段 Lua 脚本带有随机性质或副作用， 那么当这段脚本在附属节点运行时， 或者从 AOF 文件载入重新运行时， 它得到的结果可能和之前运行的结果完全不同。
考虑以下一段代码， 其中的 get_random_number() 带有随机性质， 我们在服务器 SERVER 中执行这段代码， 并将随机数的结果保存到键 number 上：
# 虚构例子，不会真的出现在脚本环境中
redis> EVAL "return redis.call('set', KEYS[1], get_random_number())" 1 number
OK
redis> GET number
"10086"现在， 假如 EVAL 的代码被复制到了附属节点 SLAVE ， 因为 get_random_number() 的随机性质， 它有很大可能会生成一个和 10086 完全不同的值， 比如 65535 ：
# 虚构例子，不会真的出现在脚本环境中
redis> EVAL "return redis.call('set', KEYS[1], get_random_number())" 1 number
OK
redis> GET number
"65535"可以看到， 带有随机性的写入脚本产生了一个严重的问题： 它破坏了服务器和附属节点数据之间的一致性。
当从 AOF 文件中载入带有随机性质的写入脚本时， 也会发生同样的问题。
只有在带有随机性的脚本进行写入时， 随机性才是有害的。
如果一个脚本只是执行只读操作， 那么随机性是无害的。
比如说， 如果脚本只是单纯地执行 RANDOMKEY 命令， 那么它是无害的； 但如果在执行 RANDOMKEY 之后， 基于 RANDOMKEY 的结果进行写入操作， 那么这个脚本就是有害的。
和随机性质类似， 如果一个脚本的执行对任何副作用产生了依赖， 那么这个脚本每次执行所产生的结果都可能会不一样。
为了解决这个问题， Redis 对 Lua 环境所能执行的脚本做了一个严格的限制 —— 所有脚本都必须是无副作用的纯函数（pure function）。
为此，Redis 对 Lua 环境做了一些列相应的措施：
- 不提供访问系统状态状态的库（比如系统时间库）。
- 禁止使用 loadfile 函数。
- 如果脚本在执行带有随机性质的命令（比如 RANDOMKEY ），或者带有副作用的命令（比如 TIME ）之后，试图执行一个写入命令（比如 SET ），那么 Redis 将阻止这个脚本继续运行，并返回一个错误。
- 如果脚本执行了带有随机性质的读命令（比如 SMEMBERS ），那么在脚本的输出返回给 Redis 之前，会先被执行一个自动的字典序排序，从而确保输出结果是有序的。
- 用 Redis 自己定义的随机生成函数，替换 Lua 环境中 math 表原有的 math.random 函数和 math.randomseed 函数，新的函数具有这样的性质：每次执行 Lua 脚本时，除非显式地调用 math.randomseed ，否则 math.random 生成的伪随机数序列总是相同的。
经过这一系列的调整之后， Redis 可以保证被执行的脚本：
- 无副作用。
- 没有有害的随机性。
- 对于同样的输入参数和数据集，总是产生相同的写入命令。
脚本的执行
在脚本环境的初始化工作完成以后， Redis 就可以通过 EVAL 命令或 EVALSHA 命令执行 Lua 脚本了。
其中， EVAL 直接对输入的脚本代码体（body）进行求值：
redis> EVAL "return 'hello world'" 0 "hello world"
而 EVALSHA 则要求输入某个脚本的 SHA1 校验和， 这个校验和所对应的脚本必须至少被 EVAL 执行过一次：
redis> EVAL "return 'hello world'" 0 "hello world" redis> EVALSHA 5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91 0 // 上一个脚本的校验和 "hello world"
或者曾经使用 SCRIPT LOAD 载入过这个脚本：
redis> SCRIPT LOAD "return 'dlrow olleh'" "d569c48906b1f4fca0469ba4eee89149b5148092" redis> EVALSHA d569c48906b1f4fca0469ba4eee89149b5148092 0 "dlrow olleh"
因为 EVALSHA 是基于 EVAL 构建的， 所以下文先用一节讲解 EVAL 的实现， 之后再讲解 EVALSHA 的实现。
EVAL 命令的实现
EVAL 命令的执行可以分为以下步骤：
- 为输入脚本定义一个 Lua 函数。
- 执行这个 Lua 函数。
以下两个小节分别介绍这两个步骤。
定义 Lua 函数
所有被 Redis 执行的 Lua 脚本， 在 Lua 环境中都会有一个和该脚本相对应的无参数函数： 当调用 EVAL 命令执行脚本时， 程序第一步要完成的工作就是为传入的脚本创建一个相应的 Lua 函数。
举个例子， 当执行命令 EVAL "return 'hello world'" 0 时， Lua 会为脚本 "return 'hello world'" 创建以下函数：
function f_5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91() return 'hello world' end
其中， 函数名以 f_ 为前缀， 后跟脚本的 SHA1 校验和（一个 40 个字符长的字符串）拼接而成。 而函数体（body）则是用户输入的脚本。
以函数为单位保存 Lua 脚本有以下好处：
- 执行脚本的步骤非常简单，只要调用和脚本相对应的函数即可。
- Lua 环境可以保持清洁，已有的脚本和新加入的脚本不会互相干扰，也可以将重置 Lua 环境和调用 Lua GC 的次数降到最低。
- 如果某个脚本所对应的函数在 Lua 环境中被定义过至少一次，那么只要记得这个脚本的 SHA1 校验和，就可以直接执行该脚本 —— 这是实现 EVALSHA 命令的基础，稍后在介绍 EVALSHA 的时候就会说到这一点。
在为脚本创建函数前，程序会先用函数名检查 Lua 环境，只有在函数定义未存在时，程序才创建函数。重复定义函数一般并没有什么副作用，这算是一个小优化。
另外，如果定义的函数在编译过程中出错（比如，脚本的代码语法有错）， 那么程序向用户返回一个脚本错误， 不再执行后面的步骤。
执行 Lua 函数
在定义好 Lua 函数之后， 程序就可以通过运行这个函数来达到运行输入脚本的目的了。
不过， 在此之前， 为了确保脚本的正确和安全执行， 还需要执行一些设置钩子、传入参数之类的操作， 整个执行函数的过程如下：
- 将 EVAL 命令中输入的 KEYS 参数和 ARGV 参数以全局数组的方式传入到 Lua 环境中。
- 设置伪客户端的目标数据库为调用者客户端的目标数据库： fake_client->db = caller_client->db ，确保脚本中执行的 Redis 命令访问的是正确的数据库。
- 为 Lua 环境装载超时钩子，保证在脚本执行出现超时时可以杀死脚本，或者停止 Redis 服务器。
- 执行脚本对应的 Lua 函数。
- 如果被执行的 Lua 脚本中带有 SELECT 命令，那么在脚本执行完毕之后，伪客户端中的数据库可能已经有所改变，所以需要对调用者客户端的目标数据库进行更新： caller_client->db = fake_client->db 。
- 执行清理操作：清除钩子；清除指向调用者客户端的指针；等等。
- 将 Lua 函数执行所得的结果转换成 Redis 回复，然后传给调用者客户端。
- 对 Lua 环境进行一次单步的渐进式 GC 。
以下是执行 EVAL "return 'hello world'" 0 的过程中， 调用者客户端（caller）、Redis 服务器和 Lua 环境之间的数据流表示图：
发送命令请求 EVAL "return 'hello world'" 0 Caller ----------------------------------------> Redis 为脚本 "return 'hello world'" 创建 Lua 函数 Redis ----------------------------------------> Lua 绑定超时处理钩子 Redis ----------------------------------------> Lua 执行脚本函数 Redis ----------------------------------------> Lua 返回函数执行结果（一个 Lua 值） Redis <---------------------------------------- Lua 将 Lua 值转换为 Redis 回复 并将结果返回给客户端 Caller <---------------------------------------- Redis
上面这个图可以作为所有 Lua 脚本的基本执行流程图， 不过它展示的 Lua 脚本中不带有 Redis 命令调用： 当 Lua 脚本里本身有调用 Redis 命令时（执行 redis.call 或者 redis.pcall ）， Redis 和 Lua 脚本之间的数据交互会更复杂一些。
举个例子， 以下是执行命令 EVAL "return redis.call('DBSIZE')" 0 时， 调用者客户端（caller）、伪客户端（fake client）、Redis 服务器和 Lua 环境之间的数据流表示图：
发送命令请求
EVAL "return redis.call('DBSIZE')" 0
Caller ------------------------------------------> Redis
为脚本 "return redis.call('DBSIZE')"
创建 Lua 函数
Redis ------------------------------------------> Lua
绑定超时处理钩子
Redis ------------------------------------------> Lua
执行脚本函数
Redis ------------------------------------------> Lua
执行 redis.call('DBSIZE')
Fake Client <------------------------------------- Lua
伪客户端向服务器发送
DBSIZE 命令请求
Fake Client -------------------------------------> Redis
服务器将 DBSIZE 的结果
（Redis 回复）返回给伪客户端
Fake Client <------------------------------------- Redis
将命令回复转换为 Lua 值
并返回给 Lua 环境
Fake Client -------------------------------------> Lua
返回函数执行结果（一个 Lua 值）
Redis <------------------------------------------ Lua
将 Lua 值转换为 Redis 回复
并将该回复返回给客户端
Caller <------------------------------------------ Redis因为 EVAL "return redis.call('DBSIZE')" 只是简单地调用了一次 DBSIZE 命令， 所以 Lua 和伪客户端只进行了一趟交互， 当脚本中的 redis.call 或者 redis.pcall 次数增多时， Lua 和伪客户端的交互趟数也会相应地增多， 不过总体的交互方法和上图展示的一样。
EVALSHA 命令的实现
前面介绍 EVAL 命令的实现时说过， 每个被执行过的 Lua 脚本， 在 Lua 环境中都有一个和它相对应的函数， 函数的名字由 f_ 前缀加上 40 个字符长的 SHA1 校验和构成： 比如 f_5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91 。
只要脚本所对应的函数曾经在 Lua 里面定义过， 那么即使用户不知道脚本的内容本身， 也可以直接通过脚本的 SHA1 校验和来调用脚本所对应的函数， 从而达到执行脚本的目的 —— 这就是 EVALSHA 命令的实现原理。
可以用伪代码来描述这一原理：
def EVALSHA(sha1):
# 拼接出 Lua 函数名字
func_name = "f_" + sha1
# 查看该函数是否已经在 Lua 中定义
if function_defined_in_lua(func_name):
# 如果已经定义过的话，执行函数
return exec_lua_function(func_name)
else:
# 没有找到和输入 SHA1 值相对应的函数则返回一个脚本未找到错误
return script_error("SCRIPT NOT FOUND")除了执行 EVAL 命令之外， SCRIPT LOAD 命令也可以为脚本在 Lua 环境中创建函数：
redis> SCRIPT LOAD "return 'hello world'" "5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91" redis> EVALSHA 5332031c6b470dc5a0dd9b4bf2030dea6d65de91 0 "hello world"
SCRIPT LOAD 执行的操作和前面《定义 Lua 函数》小节描述的一样。
小结
- 初始化 Lua 脚本环境需要一系列步骤，其中最重要的包括：
- 创建 Lua 环境。
- 载入 Lua 库，比如字符串库、数学库、表格库，等等。
- 创建 redis 全局表格，包含各种对 Redis 进行操作的函数，比如 redis.call 和 redis.log ，等等。
- 创建一个无网络连接的伪客户端，专门用于执行 Lua 脚本中的 Redis 命令。
- Reids 通过一系列措施保证被执行的 Lua 脚本无副作用，也没有有害的写随机性：对于同样的输入参数和数据集，总是产生相同的写入命令。
- EVAL 命令为输入脚本定义一个 Lua 函数，然后通过执行这个函数来执行脚本。
- EVALSHA 通过构建函数名，直接调用 Lua 中已定义的函数，从而执行相应的脚本。