Redis与Lua及Redis-py应用Lua

基本命令

Redis 脚本使用 Lua 解释器来执行脚本。 Reids 2.6 版本通过内嵌支持 Lua 环境。执行脚本的常用命令为 EVAL。

EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]
EVAL "return {KEYS[1],KEYS[2],ARGV[1],ARGV[2]}" 2 key1 key2 first second
1) "key1"
2) "key2"
3) "first"
4) "second"

1 EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...] 执行 Lua 脚本。
2 EVALSHA sha1 numkeys key [key ...] arg [arg ...] 执行 Lua 脚本。
3 SCRIPT EXISTS script [script ...] 查看指定的脚本是否已经被保存在缓存当中。
4 SCRIPT FLUSH 从脚本缓存中移除所有脚本。
5 SCRIPT KILL 杀死当前正在运行的 Lua 脚本。
6 SCRIPT LOAD script 将脚本 script 添加到脚本缓存中，但并不立即执行这个脚本。

Redis Eval 命令使用 Lua 解释器执行脚本。

EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]
参数说明
script： 参数是一段 Lua 5.1 脚本程序。脚本不必(也不应该)定义为一个 Lua 函数。
numkeys： 用于指定键名参数的个数。
key [key ...]： 从 EVAL 的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 中通过全局变量 KEYS 数组，用 1 为基址的形式访问( KEYS[1] ， KEYS[2] ，以此类推)。
arg [arg ...]： 附加参数，在 Lua 中通过全局变量 ARGV 数组访问，访问的形式和 KEYS 变量类似( ARGV[1] 、 ARGV[2] ，诸如此类)。

Redis Evalsha 命令根据给定的 sha1 校验码，执行缓存在服务器中的脚本。
EVALSHA sha1 numkeys key [key ...] arg [arg ...]

redis 127.0.0.1:6379> SCRIPT LOAD "return 'hello moto'"
"232fd51614574cf0867b83d384a5e898cfd24e5a"
 
redis 127.0.0.1:6379> EVALSHA "232fd51614574cf0867b83d384a5e898cfd24e5a" 0
"hello moto"

Redis Script Exists 命令用于校验指定的脚本是否已经被保存在缓存当中。
SCRIPT EXISTS script [script ...]

redis 127.0.0.1:6379> SCRIPT LOAD "return 'hello moto'"    # 载入一个脚本
"232fd51614574cf0867b83d384a5e898cfd24e5a"
 
redis 127.0.0.1:6379> SCRIPT EXISTS 232fd51614574cf0867b83d384a5e898cfd24e5a
1) (integer) 1
 
redis 127.0.0.1:6379> SCRIPT FLUSH     # 清空缓存
OK
 
redis 127.0.0.1:6379> SCRIPT EXISTS 232fd51614574cf0867b83d384a5e898cfd24e5a
1) (integer) 0

SCRIPT FLUSH 从脚本缓存中移除所有脚本。
SCRIPT KILL 杀死当前正在运行的 Lua 脚本。
SCRIPT LOAD script 将脚本 script 添加到脚本缓存中，但并不立即执行这个脚本。

详细说明

这是从一个Lua脚本中使用两个不同的Lua函数来调用Redis的命令的例子：

redis.call()
redis.pcall()

redis.call() 与 redis.pcall()很类似, 他们唯一的区别是当redis命令执行结果返回错误时， redis.call()将返回给调用者一个错误，而redis.pcall()会将捕获的错误以Lua表的形式返回
redis.call() 和 redis.pcall() 两个函数的参数可以是任意的 Redis 命令：

> eval "return redis.call('set','foo','bar')" 0
OK

需要注意的是，上面这段脚本的确实现了将键 foo 的值设为 bar 的目的，但是，它违反了 EVAL 命令的语义，因为脚本里使用的所有键都应该由 KEYS 数组来传递，就像这样：

> eval "return redis.call('set',KEYS[1],'bar')" 1 foo
OK

要求使用正确的形式来传递键(key)是有原因的，**因为不仅仅是 EVAL 这个命令，所有的 Redis 命令，在执行之前都会被分析，籍此来确定命令会对哪些键进行操作。
因此，对于 EVAL 命令来说，必须使用正确的形式来传递键，才能确保分析工作正确地执行。 **

Lua 数据类型和 Redis 数据类型之间转换

当 Lua 通过 call() 或 pcall() 函数执行 Redis 命令的时候，命令的返回值会被转换成 Lua 数据结构。 同样地，当 Lua 脚本在 Redis 内置的解释器里运行时，Lua 脚本的返回值也会被转换成 Redis 协议(protocol)，然后由 EVAL 将值返回给客户端。
下面两点需要重点注意：
lua中整数和浮点数之间没有什么区别。因此，我们始终将Lua的数字转换成整数的回复，这样将舍去小数部分。如果你想从Lua返回一个浮点数，你应该将它作为一个字符串
有两个辅助函数从Lua返回Redis的类型。

• redis.error_reply(error_string) returns an error reply. This function simply returns the single field table with the err field set to the specified string for you.

• redis.status_reply(status_string) returns a status reply. This function simply returns the single field table with the ok field set to the specified string for you.

return {err="My Error"}
return redis.error_reply("My Error")

脚本的原子性

Redis 使用单个 Lua 解释器去运行所有脚本，并且， Redis 也保证脚本会以原子性(atomic)的方式执行： 当某个脚本正在运行的时候，不会有其他脚本或 Redis 命令被执行。 这和使用 MULTI / EXEC 包围的事务很类似。 在其他别的客户端看来，脚本的效果(effect)要么是不可见的(not visible)，要么就是已完成的(already completed)。

脚本缓存和 EVALSHA

EVAL 命令要求你在每次执行脚本的时候都发送一次脚本主体(script body)。Redis 有一个内部的脚本缓存机制，因此它不会每次都重新编译脚本。
EVALSHA 命令，它的作用和 EVAL 一样，都用于对脚本求值，但它接受的第一个参数不是脚本，而是脚本的 SHA1 校验和(sum)。
客户端库的底层实现可以一直乐观地使用 EVALSHA 来代替 EVAL ，并期望着要使用的脚本已经保存在服务器上了，只有当 NOSCRIPT 错误发生时，才使用 EVAL 命令重新发送脚本，这样就可以最大限度地节省带宽。
刷新脚本缓存的唯一办法是显式地调用 SCRIPT FLUSH 命令，这个命令会清空运行过的所有脚本的缓存。通常只有在云计算环境中，才会执行这个命令。

Redis对lua脚本做出的限制

• 不能访问系统时间或者其他内部状态

• Redis 会返回一个错误，阻止这样的脚本运行： 这些脚本在执行随机命令之后(比如 RANDOMKEY 、 SRANDMEMBER 或 TIME 等)，还会执行可以修改数据集的 Redis 命令。如果脚本只是执行只读操作，那么就没有这一限制。

• 每当从 Lua 脚本中调用那些返回无序元素的命令时，执行命令所得的数据在返回给 Lua 之前会先执行一个静默(slient)的字典序排序(lexicographical sorting)。举个例子，因为 Redis 的 Set 保存的是无序的元素，所以在 Redis 命令行客户端中直接执行 SMEMBERS ，返回的元素是无序的，但是，假如在脚本中执行 redis.call(“smembers”, KEYS[1]) ，那么返回的总是排过序的元素。

• 对 Lua 的伪随机数生成函数 math.random 和 math.randomseed 进行修改，使得每次在运行新脚本的时候，总是拥有同样的 seed 值。这意味着，每次运行脚本时，只要不使用 math.randomseed ，那么 math.random 产生的随机数序列总是相同的。

• 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。如果一个脚本需要在多次执行之间维持某种状态，它应该使用 Redis key 来进行状态保存。避免引入全局变量的一个诀窍是：将脚本中用到的所有变量都使用 local 关键字定义为局部变量。

可用库

Redis Lua解释器可用加载以下Lua库：
base
table
string
math
debug
struct 一个Lua装箱/拆箱的库
cjson 为Lua提供极快的JSON处理
cmsgpack为Lua提供了简单、快速的MessagePack操纵
bitop 为Lua的位运算模块增加了按位操作数。
redis.sha1hex function. 对字符串执行SHA1算法
每一个Redis实例都拥有以上的所有类库，以确保您使用脚本的环境都是一样的。
struct, CJSON 和 cmsgpack 都是外部库, 所有其他库都是标准。

redis 127.0.0.1:6379> eval 'return cjson.encode({["foo"]= "bar"})' 0
"{\"foo\":\"bar\"}"
redis 127.0.0.1:6379> eval 'return cjson.decode(ARGV[1])["foo"]' 0 "{\"foo\":\"bar\"}"
"bar"

127.0.0.1:6379> eval 'return cmsgpack.pack({"foo", "bar", "baz"})' 0
"\x93\xa3foo\xa3bar\xa3baz"
127.0.0.1:6379> eval 'return cmsgpack.unpack(ARGV[1])' 0 "\x93\xa3foo\xa3bar\xa3baz"
1) "foo"
2) "bar"
3) "baz"

使用脚本记录Redis 日志

在 Lua 脚本中，可以通过调用 redis.log 函数来写 Redis 日志(log)：

redis.log(loglevel,message)

其中， message 参数是一个字符串，而 loglevel 参数可以是以下任意一个值：

• redis.LOG_DEBUG

• redis.LOG_VERBOSE

• redis.LOG_NOTICE

• redis.LOG_WARNING
  上面的这些等级(level)和标准 Redis 日志的等级相对应。

只有那些和当前 Redis 实例所设置的日志等级相同或更高级的日志才会被散发。
以下是一个日志示例：

redis.log(redis.LOG_WARNING, "Something is wrong with this script.")
执行上面的函数会产生这样的信息：
[32343] 22 Mar 15:21:39 # Something is wrong with this script.

沙箱(sandbox)和最大执行时间

脚本应该仅仅用于传递参数和对 Redis 数据进行处理，它不应该尝试去访问外部系统(比如文件系统)，或者执行任何系统调用。
除此之外，脚本还有一个最大执行时间限制，它的默认值是 5 秒钟，一般正常运作的脚本通常可以在几分之几毫秒之内完成，花不了那么多时间，这个限制主要是为了防止因编程错误而造成的无限循环而设置的。
最大执行时间的长短由 lua-time-limit 选项来控制(以毫秒为单位)，可以通过编辑 redis.conf 文件或者使用 CONFIG GET 和 CONFIG SET 命令来修改它。

当一个脚本达到最大执行时间的时候，它并不会自动被 Redis 结束，因为 Redis 必须保证脚本执行的原子性，而中途停止脚本的运行意味着可能会留下未处理完的数据在数据集(data set)里面。
因此，当脚本运行的时间超过最大执行时间后，以下动作会被执行：
Redis 记录一个脚本正在超时运行
Redis 开始重新接受其他客户端的命令请求，但是只有 SCRIPT KILL 和 SHUTDOWN NOSAVE 两个命令会被处理，对于其他命令请求， Redis 服务器只是简单地返回 BUSY 错误。
可以使用 SCRIPT KILL 命令将一个仅执行只读命令的脚本杀死，因为只读命令并不修改数据，因此杀死这个脚本并不破坏数据的完整性
如果脚本已经执行过写命令，那么唯一允许执行的操作就是 SHUTDOWN NOSAVE ，它通过停止服务器来阻止当前数据集写入磁盘

pipeline上下文(context)中的 EVALSHA

一旦在pipeline中因为 EVALSHA 命令而发生 NOSCRIPT 错误，那么这个pipeline就再也没有办法重新执行了，否则的话，命令的执行顺序就会被打乱。
为了防止出现以上所说的问题，客户端库实现应该实施以下的其中一项措施：

• 总是在pipeline中使用 EVAL 命令

• 检查pipeline中要用到的所有命令，找到其中的 EVAL 命令，并使用 SCRIPT EXISTS 命令检查要用到的脚本是不是全都已经保存在缓存里面了。如果所需的全部脚本都可以在缓存里找到，那么就可以放心地将所有 EVAL 命令改成 EVALSHA 命令，否则的话，就要在pipeline的顶端(top)将缺少的脚本用 SCRIPT LOAD 命令加上去。

案例1-实现访问频率限制:

实现访问者 $ip 在一定的时间 $time 内只能访问 $limit 次.
非脚本实现

private boolean accessLimit(String ip, int limit, int time, Jedis jedis) {
    boolean result = true;

    String key = "rate.limit:" + ip;
    if (jedis.exists(key)) {
        long afterValue = jedis.incr(key);
        if (afterValue > limit) {
            result = false;
        }
    } else {
        Transaction transaction = jedis.multi();
        transaction.incr(key);
        transaction.expire(key, time);
        transaction.exec();
    }
    return result;
}

以上代码有两点缺陷

• 可能会出现竞态条件: 解决方法是用 WATCH 监控 rate.limit:$IP 的变动, 但较为麻烦;

• 以上代码在不使用 pipeline 的情况下最多需要向Redis请求5条指令, 传输过多.

Lua脚本实现
Redis 允许将 Lua 脚本传到 Redis 服务器中执行, 脚本内可以调用大部分 Redis 命令, 且 Redis 保证脚本的 原子性 :
首先需要准备Lua代码: script.lua

local key = "rate.limit:" .. KEYS[1]
local limit = tonumber(ARGV[1])
local expire_time = ARGV[2]

local is_exists = redis.call("EXISTS", key)
if is_exists == 1 then
    if redis.call("INCR", key) > limit then
        return 0
    else
        return 1
    end
else
    redis.call("SET", key, 1)
    redis.call("EXPIRE", key, expire_time)
    return 1
end

Java

private boolean accessLimit(String ip, int limit, int timeout, Jedis connection) throws IOException {
    List<String> keys = Collections.singletonList(ip);
    List<String> argv = Arrays.asList(String.valueOf(limit), String.valueOf(timeout));

    return 1 == (long) connection.eval(loadScriptString("script.lua"), keys, argv);
}

// 加载Lua代码
private String loadScriptString(String fileName) throws IOException {
    Reader reader = new InputStreamReader(Client.class.getClassLoader().getResourceAsStream(fileName));
    return CharStreams.toString(reader);
}

Lua 嵌入 Redis 优势:

• 减少网络开销: 不使用 Lua 的代码需要向 Redis 发送多次请求, 而脚本只需一次即可, 减少网络传输;

• 原子操作: Redis 将整个脚本作为一个原子执行, 无需担心并发, 也就无需事务;

• 复用: 脚本会永久保存 Redis 中, 其他客户端可继续使用.

案例2-使用Lua脚本重新构建带有过期时间的分布式锁.

案例来源: < Redis实战 > 第6、11章, 构建步骤:

• 锁申请

• 首先尝试加锁:

• 成功则为锁设定过期时间; 返回;

• 失败检测锁是否添加了过期时间;

• wait.

• 锁释放

• 检查当前线程是否真的持有了该锁:

• 持有: 则释放; 返回成功;

• 失败: 返回失败.

非Lua实现

String acquireLockWithTimeOut(Jedis connection, String lockName, long acquireTimeOut, int lockTimeOut) {
    String identifier = UUID.randomUUID().toString();
    String key = "lock:" + lockName;

    long acquireTimeEnd = System.currentTimeMillis() + acquireTimeOut;
    while (System.currentTimeMillis() < acquireTimeEnd) {
        // 获取锁并设置过期时间
        if (connection.setnx(key, identifier) != 0) {
            connection.expire(key, lockTimeOut);
            return identifier;
        }
        // 检查过期时间, 并在必要时对其更新
        else if (connection.ttl(key) == -1) {
            connection.expire(key, lockTimeOut);
        }

        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException ignored) {
        }
    }
    return null;
}

boolean releaseLock(Jedis connection, String lockName, String identifier) {
    String key = "lock:" + lockName;

    connection.watch(key);
    // 确保当前线程还持有锁
    if (identifier.equals(connection.get(key))) {
        Transaction transaction = connection.multi();
        transaction.del(key);
        return transaction.exec().isEmpty();
    }
    connection.unwatch();

    return false;
}

Lua脚本实现
Lua脚本: acquire

local key = KEYS[1]
local identifier = ARGV[1]
local lockTimeOut = ARGV[2]

-- 锁定成功
if redis.call("SETNX", key, identifier) == 1 then
    redis.call("EXPIRE", key, lockTimeOut)
    return 1
elseif redis.call("TTL", key) == -1 then
    redis.call("EXPIRE", key, lockTimeOut)
end
return 0

Lua脚本: release

local key = KEYS[1]
local identifier = ARGV[1]

if redis.call("GET", key) == identifier then
    redis.call("DEL", key)
    return 1
end
return 0

参考：http://www.redis.cn/commands/...
http://www.redis.net.cn/tutor...
http://www.oschina.net/transl...
http://www.tuicool.com/articl...