利用Lua定制Redis命令的方法详解

Redis作为一个非常成功的数据库，提供了非常丰富的数据类型和命令，使用这些，我们可以轻易而高效地完成很多缓存操作，可是总有一些比较特殊的问题或需求需要解决，这时候可能就需要我们自己定制自己的 Redis 数据结构和命令。

Redis命令问题
线程安全问题

我们都知道 Redis 是单线程的，可是它怎么会有 线程安全 问题呢？

我们正常理解的线程安全问题是指单进程多线程模型内部多个线程操作进程内共享内存导致的数据资源充突。而 Redis 的线程安全问题的产生，并不是来自于 Redis 服务器内部。

Redis 作为数据服务器，就相当于多个客户端的共享内存，多个客户端就相当于同一进程下的多个线程，如果多个客户端之间没有良好的数据同步策略，就会产生类似线程安全的问题。

典型场景是：

Redis 内存储了一个用户的状态： user5277=idle；
客户端连接 A 读取了用户状态，获取到用户的空闲状态 status = get("user5277")；
客户端连接 B 也同样读取了用户状态；
客户端连接 A 给用户安排了一个任务，并将 Redis 内用户状态置为忙碌 set("user5277", "busy")；
客户端连接 B 同样设置用户为忙碌状态。
可是此时用户却被同时分配了两个任务。
导致这个问题的原因就是虽然 Redis 是单线程的，能保证命令的序列化，但由于其执行效率很高，多个客户端的命令之间不做好请求同步，同样会造成命令的顺序错乱。

当然这个问题也很好解决，给用户状态加锁就行了，使同一时间内只能有一个客户端操作用户状态。不过加锁我们就需要考虑锁粒度、死锁等问题了，无疑添加了程序的复杂性，不利于维护。

效率问题

Redis 作为一个极其高效的内存数据服务器，其命令执行速度极快，之前看过阿里云 Redis 的一个压测结果，执行效率可以达到 10W写QPS， 60W读QPS，那么，它的效率问题又来自何处呢？

答案是网络，做 Web 的都知道，效率优化要从网络做起，服务端又是优化代码，又是优化数据库，不如网络连接的一次优化，而网络优化最有效的就是减少请求数。我们要知道执行一次内存访问的耗时约是 100ns，而不同机房之间来回一次约需要 500000ns，其中的差距可想而知。

Redis在单机内效率超高，但工业化部署总不会把服务器和 Redis 放在同一台机器上，如果触碰到效率瓶颈的话，那就是网络。

典型场景就是我们从 Redis 里读出一条数据，再使用这条数据做键，读取另外一条数据。这样来来回回，便有两次网络往返。

导致这种问题的原因就是 Redis 的普通命令没有服务端计算的能力，无法在服务器进行复合命令操作，虽然有 Redis 也提供了 pipeline 的特性，但它需要多个命令的请求和响应之间没有依赖关系。想简化多个相互依赖的命令就只能将数据拉回客户端，由客户端处理后再请求 Redis。

综上，我们要更高效更方便的使用 Redis 就需要自己“定制”一些命令了。

内嵌Lua的执行
万幸 Redis 内嵌了 Lua 执行环境，支持 Lua 脚本的执行，通过执行 Lua 脚本，我们可以把多个命令复合为一个 Lua 脚本，通过 Lua 脚本来实现上文中提到的 Redis 命令的次序性和 Redis 服务端计算。

Lua

Lua 是一个简洁、轻量、可扩展的脚本语言，它的特性有：

轻量：源码包只有核心库，编译后体积很小。
高效：由 ANSI C 写的，启动快、运行快。
内嵌：可内嵌到各种编程语言或系统中运行，提升静态语言的灵活性。如 OpenResty 就是将 Lua 嵌入到 nginx 中执行。
而且完全不需要担心语法问题，Lua 的语法很简单，分分钟使用不成问题。

执行步骤

Redis 在 2.6 版本后，启动时会创建 Lua 环境、载入 Lua 库、定义 Redis 全局表格、存储 redis.pcall 等 Redis 命令，以准备 Lua 脚本的执行。

一个典型的 Lua 脚本执行步骤如下：

检查脚本是否执行过，没执行过使用脚本的 sha1 校验和生成一个 Lua 函数；
为函数绑定超时、错误处理勾子；
创建一个伪客户端，通过这个伪客户端执行 Lua 中的 Redis 命令；
处理伪客户端的返回值，最终返回给客户端；
交互时序如图

虽然 Lua 脚本使用的是伪客户端，但 Redis 处理它会跟普通客户端一样，也会将执行的 Redis 命令进行 rdb aof 主从复制等操作。

使用

Lua 脚本的使用可以通过 Redis 的 EVAL 和 EVALSHA 命令。

EVAL 适用于单次执行 Lua 脚本，执行脚本前会由脚本内容生成 sha1 校验和，在函数表内查询函数是否已定义，如未定义执行成功后 Redis 会在全局表里缓存这个脚本的校验和为函数名，后续再次执行此命令就不会再创建新的函数了。

而要使用 EVALSHA 命令，就得先使用 SCRIPT LOAD 命令先将函数加载到 Redis，Redis 会返回此函数的 sha1 校验和， 后续就可以直接使用这个校验和来执行命令了。

以下是使用上述命令的例子：

127.0.0.1:6379> EVAL "return 'hello'" 0 0
"hello"
 
127.0.0.1:6379> SCRIPT LOAD "return redis.pcall('GET', ARGV[1])"
"20b602dcc1bb4ba8fca6b74ab364c05c58161a0a"
 
127.0.0.1:6379> EVALSHA 20b602dcc1bb4ba8fca6b74ab364c05c58161a0a 0 test
"zbs"

EVAL 命令的原型是 EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...] ，在 Lua 函数内部可以使用 KEYS[N] 和 ARGV[N] 引用键和参数，需要注意 KEYS 和 ARGV 的参数序号都是从 1 开始的。

还需要注意在 Lua 脚本中，Redis 返回为空时，结果是 false，而 不是 nil；

Lua 脚本实例
下面写几个 Lua 脚本的实例，用来介绍语法的，仅供参考。

Redis 里 hashSet A 的 字段 B 的值是 C，取出 Redis 里键为 C 的值。

// 使用: EVAL script 2 A B
 
local tmpKey = redis.call('HGET', KEYS[1], KEYS[2]); 
return redis.call('GET', tmpKey);

一次 lpop 出多个值，直到值为 n，或 list 为空（pipeline 也可轻易实现）；

// 使用: EVAL script 2 list count
local list = {};
local item = false;
local num = tonumber(KEYS[2]);
while (num > 0)
do
  item = redis.call('LPOP', KEYS[1]);
  if item == false then
    break;
  end;
  table.insert(list, item);
  num = num - 1;
end;
return list;

获取 zset 内 score 最多的 n 个元素 对应 hashset 中的详细信息；

local elements = redis.call('ZRANK', KEYS[1], 0, KEY[2]);
local detail = {};
for index,ele in elements do
  local info = redis.call('HGETALL', ele);
  table.insert(detail, info);
end;
return detail;

基本使用语法就是如此，更多应用就看各个具体场景了。

一些思考
实现之外，还要一些东西要思考：

使用场景

首先来总结一下 Redis 中 Lua 的使用场景：

可以使用 Lua 脚本实现原子性操作，避免不同客户端访问 Redis 服务器造成的数据冲突。
在前后多次请求的结果有依赖时，可以使用 Lua 脚本把多个请求整合为一个请求。
注意点

使用 Lua 脚本，我们还需要注意：

要保证安全性，在 Lua 脚本中不要使用全局变量，以免污染 Lua 环境，虽然使用全局变量全报错，Lua 脚本停止执行，但还是在定义变量时添加 local 关键字。
要注意 Lua 脚本的时间复杂度，Redis 的单线程同样会阻塞在 Lua 脚本的执行中。
使用 Lua 脚本实现原子操作时，要注意如果 Lua 脚本报错，之前的命令同样无法回滚。
一次发出多个 Redis 请求，但请求前后无依赖时，使用 pipeline，比 Lua 脚本方便。