详解Redis中Lua脚本的应用和实践-巨人网络通讯

详解Redis中Lua脚本的应用和实践

引言

前段时间组内有个投票的产品，上线前考虑欠缺，导致被刷票严重。后来，通过研究，发现可以通过 redis lua 脚本实现限流，这里将 redis lua 脚本相关的知识分享出来，讲的不到位的地方还望斧正。

redis lua 脚本相关命令

这一小节的内容是基本命令，可粗略阅读后跳过，等使用的时候再回来查询

redis 自 2.6.0 加入了 lua 脚本相关的命令，EVAL、EVALSHA、SCRIPT EXISTS、SCRIPT FLUSH、SCRIPT KILL、SCRIPT LOAD，自 3.2.0 加入了 lua 脚本的调试功能和命令SCRIPT DEBUG。这里对命令做下简单的介绍。

EVAL执行一段lua脚本，每次都需要将完整的lua脚本传递给redis服务器。
SCRIPT LOAD将一段lua脚本缓存到redis中并返回一个tag串，并不会执行。
EVALSHA执行一个脚本，不过传入参数是「2」中返回的tag，节省网络带宽
。SCRIPT EXISTS判断「2」返回的tag串是否存在服务器中。
SCRIPT FLUSH清除服务器上的所有缓存的脚本。
SCRIPT KILL杀死正在运行的脚本。
SCRIPT DEBUG设置调试模式，可设置同步、异步、关闭，同步会阻塞所有请求。

生产环境中，推荐使用EVALSHA，相较于EVAL的每次发送脚本主体、浪费带宽，会更高效。这里要注意SCRIPT KILL，杀死正在运行脚本的时候，如果脚本执行过写操作了，这里会杀死失败，因为这违反了 redis lua 脚本的原子性。调试尽量放在测试环境完成之后再发布到生产环境，在生产环境调试千万不要使用同步模式，原因下文会详细讨论。

Redis 中 lua 脚本的书写和调试

redis lua 脚本是对其现有命令的扩充，单个命令不能完成、需要多个命令，但又要保证原子性的动作可以用脚本来实现。脚本中的逻辑一般比较简单，不要加入太复杂的东西，因为 redis 是单线程的，当脚本执行的时候，其他命令、脚本需要等待直到当前脚本执行完成。因此，对 lua 的语法也不需完全了解，了解基本的使用就足够了，这里对 lua 语法不做过多介绍，会穿插到脚本示例里面。

一个秒杀抢购示例

假设有一个秒杀活动，商品库存 100，每个用户 uid 只能抢购一次。设计抢购流程如下：

先通过 uid 判断是否已经抢过，已经抢过返回0结束。
判断商品剩余库存是否大于0，是的话进入「3」，否的话返回0结束。
将用户 uid 加入已购用户set中。
物品数量减一，返回成功1结束。

local goodsSurplus
local flag
-- 判断用户是否已抢过
local buyMembersKey  = tostring(KEYS[1])
local memberUid    = tonumber(ARGV[1])
local goodsSurplusKey = tostring(KEYS[2])
local hasBuy = redis.call("sIsMember", buyMembersKey, memberUid)

-- 已经抢购过，返回0
if hasBuy ~= 0 then
 return 0
end

-- 准备抢购
goodsSurplus = redis.call("GET", goodsSurplusKey)
if goodsSurplus == false then
 return 0
end

-- 没有剩余可抢购物品
goodsSurplus = tonumber(goodsSurplus)
if goodsSurplus = 0 then
 return 0
end

flag = redis.call("SADD", buyMembersKey, memberUid)
flag = redis.call("DECR", goodsSurplusKey)

return 1

即使不了解 lua，相信你也可以将上面的脚本看个一二，其中--开始的是单行注释。local用来声明局部变量，redis lua 脚本中的所有变量都应该声明为local xxx，避免在持久化、复制的时候产生各种问题。KEYS和ARGV是两个全局变量，就像 PHP 中的$argc、$argv一样，脚本执行时传入的参数会写入这两个变量，供我们在脚本中使用。redis.call用来执行 redis 现有命令，传参跟 redis 命令行执行时传入参数顺序一致。

另外 redis lua 脚本中用到 lua table 的地方还比较多，这里要注意，lua 脚本中的 table 下标是从 1 开始的，比如KEYS、ARGV，这里跟其他语言不一样，需要注意。

对于主要使用 PHP 这种弱类型语言开发同学来说，一定要注意变量的类型，不同类型比较的时候可能会出现类似attempt to compare string with number的提示，这个时候使用 lua 的tonumber将字符串转换为数字在进行比较即可。比如我们使用GET去获取一个值，然后跟 0 比较大小，就需要将获取出来的字符串转换为数字。

在调试之前呢，我们先看看效果，将上面的代码保存到 lua 文件中/path/to/buy.lua，然后运行redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742984即可执行脚本，执行之后返回-1，因为我们未设置商品数量，set goodsSurplus 5之后再次执行，效果如下：

➜ ~ redis-cli set goodsSurplus 5
OK
➜ ~ redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742984
(integer) 1
➜ ~ redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742984
(integer) 0
➜ ~ redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742983
(integer) 1
➜ ~ redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742982
(integer) 1
➜ ~ redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742981
(integer) 1
➜ ~ redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742980
(integer) -1
➜ ~ redis-cli --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 58247
(integer) -1

在命令行运行脚本的时候，脚本后面传入的是参数，通过 , 分隔为两组，前面是键，后面是值，这两组分别写入KEYS和ARGV。分隔符一定要看清楚了，逗号前后都有空格，漏掉空格会让脚本解析传入参数异常。

debug 调试

上一小节，我们写了很长一段 redis lua 脚本，怎么调试呢，有没有像 GDB 那样的调试工具呢，答案是肯定的。redis 从 v3.2.0 开始支持 lua debugger，可以加断点、print 变量信息、展示正在执行的代码......我们结合上一小节的脚本，来详细说说 redis 中 lua 脚本的调试。

如何进入调试模式

执行redis-cli --ldb --eval /path/to/buy.lua hadBuyUids goodsSurplus , 5824742984，进入调试模式，比之前执行的时候多了参数--ldb，这个参数是开启 lua dubegger 的意思，这个模式下 redis 会 fork 一个进程进入隔离环境，不会影响 redis 正常提供服务，但调试期间，原始 redis 执行命令、脚本的结果也不会体现到 fork 之后的隔离环境之中。因此呢，还有另外一种调试模式--ldb-sync-mode，也就是前面提到的同步模式，这个模式下，会阻塞 redis 上所有的命令、脚本，直到脚本退出，完全模拟了正式环境使用时候的情况，使用的时候务必注意这点。

调试命令详解

这一小节的内容是调试时候的详细命令，可以粗略阅读后跳过，等使用的时候再回来查询

帮助信息

[h]elp

调试模式下，输入h或者help展示调试模式下的全部可用指令。

流程相关

[s]tep 、 [n]ext 、 [c]continue

执行当前行代码，并停留在下一行，如下所示

* Stopped at 4, stop reason = step over
-> 4  local buyMembersKey  = tostring(KEYS[1])
lua debugger> n
* Stopped at 5, stop reason = step over
-> 5  local memberUid    = tonumber(ARGV[1])
lua debugger> n
* Stopped at 6, stop reason = step over
-> 6  local goodsSurplusKey = tostring(KEYS[2])
lua debugger> s
* Stopped at 7, stop reason = step over
-> 7  local hasBuy = redis.call("sIsMember", buyMembersKey, memberUid)

continue从当前行开始执行代码直到结束或者碰到断点。

展示相关

[l]list 、 [l]list [line] 、 [l]list [line] [ctx] 、 [w]hole

展示当前行附近的代码，[line]是重新指定中心行，[ctx]是指定展示中心行周围几行代码。[w]hole是展示所有行代码

打印相关

[p]rint 、 [p]rint var>

打印当前所有局部变量，var>是打印指定变量，如下所示：

lua debugger> print
value> goodsSurplus = nil
value> flag = nil
value> buyMembersKey = "hadBuyUids"
value> memberUid = 58247
lua debugger> print buyMembersKey
value> "hadBuyUids"

断点相关

[b]reak 、 [b]reak line> 、 [b]reak -line> 、 [b]reak 0

展示断点、像指定行添加断点、删除指定行的断点、删除所有断点

其他命令

[r]edis cmd> 、 [m]axlen [len] 、 [a]bort 、 [e]eval code> 、 [t]race

在调试其中执行 redis 命令
设置展示内容的最大长度，0表示不限制
退出调试模式，同步模式下(设置了参数--ldb-sync-mode)修改会保留。
执行一行 lua 代码。
展示执行栈。

详细说下[m]axlen [len]命令，如下代码：

local myTable = {}
local count = 0
while count  1000 do
  myTable[count] = count
  count = count + 1
end

return 1

在最后一行打印断点，执行print可以看到，输出了一长串内容，我们执行maxlen 10之后，再次执行print可以看到打印的内容变少了，设置为maxlen 0之后，再次执行可以看到所有的内容全部展示了。

详细说下[t]race命令，代码如下：

local function func1(num)
 num = num + 1
 return num
end

local function func2(num)
 num = func1(num)
 num = num + 1
 return num
end

func2(123)

执行b 2在 func1 中打断点，然后执行c，断点地方停顿，再次执行t，可以到如下信息：

lua debugger> t
In func1:
->#3   return num
From func2:
  7   num = func1(num)
From top level:
  12 func2(123)

请求限流

至此，算是对 redis lua 脚本有了基本的认识，基本语法、调试也做了了解，接下来就实现一个请求限流器。流程和代码如下：

--[[
 传入参数：
 业务标识
 ip
 限制时间
 限制时间内的访问次数
]]--
local busIdentify  = tostring(KEYS[1])
local ip      = tostring(KEYS[2])
local expireSeconds = tonumber(ARGV[1])
local limitTimes  = tonumber(ARGV[2])

local identify = busIdentify .. "_" .. ip

local times   = redis.call("GET", identify)

--[[
 获取已经记录的时间
 获取到继续判断是否超过限制
 超过限制返回0
 否则加1，返回1
]]--
if times ~= false then
 times = tonumber(times)
 if times >= limitTimes then
  return 0
 else
  redis.call("INCR", identify)
  return 1
 end
end

-- 不存在的话，设置为1并设置过期时间
local flag = redis.call("SETEX", identify, expireSeconds, 1)

return 1

将上面的 lua 脚本保存到/path/to/limit.lua，执行redis-cli --eval /path/to/limit.lua limit_vgroup 192.168.1.19 , 10 3，表示 limit_vgroup 这个业务，192.168.1.1 这个 ip 每 10 秒钟限制访问三次。

好了，至此，一个请求限流功能就完成了，连续执行三次之后上面的程序会返回 0，过 10 秒钟在执行，又可以返回 1，这样便达到了限流的目的。

有同学可能会说了，这个请求限流功能还有值得优化的地方，如果连续的两个计数周期，第一个周期的最后请求 3 次，接着马上到第二个周期了，又可以请求了，这个地方如何优化呢，我们接着往下看。

请求限流优化

上面的计数器法简单粗暴，但是存在临界点的问题。为了解决这个问题，引入类似滑动窗口的概念，让统计次数的周期是连续的，可以很好的解决临界点的问题，滑动窗口原理如下图所示：

建立一个 redis list 结构，其长度等价于访问次数，每次请求时，判断 list 结构长度是否超过限制次数，未超过的话，直接加到队首返回成功，否则，判断队尾一条数据是否已经超过限制时间，未超过直接返回失败，超过删除队尾元素，将此次请求时间插入队首，返回成功。

local busIdentify  = tostring(KEYS[1])
local ip      = tostring(KEYS[2])
local expireSeconds = tonumber(ARGV[1])
local limitTimes  = tonumber(ARGV[2])
-- 传入额外参数，请求时间戳
local timestamp   = tonumber(ARGV[3])
local lastTimestamp

local identify = busIdentify .. "_" .. ip
local times   = redis.call("LLEN", identify)
if times  limitTimes then
 redis.call("RPUSH", identify, timestamp)
 return 1
end

lastTimestamp = redis.call("LRANGE", identify, 0, 0)
lastTimestamp = tonumber(lastTimestamp[1])

if lastTimestamp + expireSeconds >= timestamp then
 return 0
end

redis.call("LPOP", identify)
redis.call("RPUSH", identify, timestamp)

return 1

上面的 lua 脚本保存到/path/to/limit_fun.lua，执行redis-cli --eval /path/to/limit_fun.lua limit_vgroup 192.168.1.19 , 10 3 1548660999即可。

最开始，我想着把时间戳计算redis.call("TIME")也放入 redis lua 脚本中，后来发现使用的时候 redis 会报错，这是因为 redis 默认情况复制 lua 脚本到备机和持久化中，如果脚本是一个非纯函数（pure function），备库中执行的时候或者宕机恢复的时候可能产生不一致的情况，这里可以类比 mysql 中基于 SQL 语句的复制模式。redis 在 3.2 版本中加入了redis.replicate_commands函数来解决这个问题，在脚本第一行执行这个函数，redis 会将修改数据的命令收集起来，然后用MULTI/EXEC包裹起来，这种方式称为script effects replication，这个类似于 mysql 中的基于行的复制模式，将非纯函数的值计算出来，用来持久化和主从复制。我们这里将变动参数提到调用方这里，调用者传入时间戳来解决这个问题。

另外，redis 从版本 5 开始，默认支持script effects replication，不需要在第一行调用开启函数了。如果是耗时计算，这样当然很好，同步、恢复的时候只需要计算一次后边就不用计算了，但是如果是一个循环生成的数据，可能在同步的时候会浪费更多的带宽，没有脚本来的更直接，但这种情况应该比较少。

至此，脚本优化完成了，但我又想到一个问题，我们的环境是单机环境，如果是分布式环境的话，脚本怎么执行、何处理呢，接下来一节，我们来讨论下这个问题。

集群环境中 lua 处理

redis 集群中，会将键分配的不同的槽位上，然后分配到对应的机器上，当操作的键为一个的时候，自然没问题，但如果操作的键为多个的时候，集群如何知道这个操作落到那个机器呢？比如简单的mget命令，mget test1 test2 test3，还有我们上面执行脚本时候传入多个参数，带着这个问题我们继续。

首先用 docker 启动一个 redis 集群，docker pull grokzen/redis-cluster，拉取这个镜像，然后执行docker run -p 7000:7000 -p 7001:7001 -p 7002:7002 -p 7003:7003 -p 7004:7004 -p 7005:7005 --name redis-cluster-script -e "IP=0.0.0.0" grokzen/redis-cluster启动这个容器，这个容器启动了一个 redis 集群，3 主 3 从。

我们从任意一个节点进入集群，比如redis-cli -c -p 7003，进入后执行cluster nodes可以看到集群的信息，我们链接的是从库，执行set lua fun，有同学可能会问了，从库也可以执行写吗，没问题的，集群会计算出 lua 这个键属于哪个槽位，然后定向到对应的主库。

执行mset lua fascinating redis powerful，可以看到集群反回了错误信息，告诉我们本次请求的键没有落到同一个槽位上

(error) CROSSSLOT Keys in request don't hash to the same slot

同样，还是上面的 lua 脚本，我们加上集群端口号，执行redis-cli -p 7000 --eval /tmp/limit_fun.lua limit_vgroup 192.168.1.19 , 10 3 1548660999，一样返回上面的错误。

针对这个问题，redis官方为我们提供了hash tag这个方法来解决，什么意思呢，我们取键中的一段来计算 hash，计算落入那个槽中，这样同一个功能不同的 key 就可以落入同一个槽位了，hash tag 是通过{}这对括号括起来的字符串，比如上面的，我们改为mset lua{yes} fascinating redis{yes} powerful，就可以执行成功了，我这里 mset 这个操作落到了 7002 端口的机器。

同理，我们对传入脚本的键名做 hash tag 处理就可以了，这里要注意不仅传入键名要有相同的 hash tag，里面实际操作的 key 也要有相同的 hash tag，不然会报错Lua script attempted to access a non local key in a cluster node，什么意思呢，就拿我们上面的例子来说，执行的时候如下所示，可以看到 , 前面的两个键都加了 hash tag —— yes，这样没问题，因为脚本里面只是用了一个拼接的 key —— limit_vgroup{yes}_192.168.1.19{yes}。

redis-cli -c -p 7000 --eval /tmp/limit_fun.lua limit_vgroup{yes} 192.168.1.19{yes} , 10 3 1548660999

如果我们在脚本里面加上redis.call("GET", "yesyes")（别让这个键跟我们拼接的键落在一个solt），可以看到就报了上面的错误，所以在执行脚本的时候，只要传入参数键、脚本里面执行 redis 命令时候的键有相同的 hash tag 即可。

另外，这里有个 hash tag 规则：

键中包含{字符；建中包含{字符，并在{字符右边；并且{,}之间有至少一个字符，之间的字符就用来做键的 hash tag。

所以，键limit_vgroup{yes}_192.168.1.19{yes}的 hash tag 是 yes。foo{}{bar}键的 hash tag就是它本身。foo{{bar}}键的 hash tag 是 {bar。

使用 golang 连接使用 redis

这里我们使用 golang 实例展示下，通过ForEachMaster将 lua 脚本缓存到集群中的每个 node，并保存返回的 sha 值，以后通过 evalsha 去执行代码。

package main

import (
  "github.com/go-redis/redis"
  "fmt"
)

func createScript() *redis.Script {
  script := redis.NewScript(`
    local busIdentify  = tostring(KEYS[1])
    local ip      = tostring(KEYS[2])
    local expireSeconds = tonumber(ARGV[1])
    local limitTimes  = tonumber(ARGV[2])
    -- 传入额外参数，请求时间戳
    local timestamp   = tonumber(ARGV[3])
    local lastTimestamp

    local identify = busIdentify .. "_" .. ip
    local times   = redis.call("LLEN", identify)
    if times  limitTimes then
     redis.call("RPUSH", identify, timestamp)
     return 1
    end

    lastTimestamp = redis.call("LRANGE", identify, 0, 0)
    lastTimestamp = tonumber(lastTimestamp[1])

    if lastTimestamp + expireSeconds >= timestamp then
     return 0
    end

    redis.call("LPOP", identify)
    redis.call("RPUSH", identify, timestamp)

    return 1    
  `)

  return script
}

func scriptCacheToCluster(c *redis.ClusterClient) string {
  script := createScript()
  var ret string

  c.ForEachMaster(func(m *redis.Client) error {
    if result, err := script.Load(m).Result(); err != nil {
      panic("缓存脚本到主节点失败")
    } else {
      ret = result
    }
    return nil
  })

  return ret

}

func main() {
  redisdb := redis.NewClusterClient(redis.ClusterOptions{
    Addrs: []string{
      ":7000",
      ":7001",
      ":7002",
      ":7003",
      ":7004",
      ":7005",
    },
  })
  // 将脚本缓存到所有节点，执行一次拿到结果即可
  sha := scriptCacheToCluster(redisdb)

  // 执行缓存脚本
  ret := redisdb.EvalSha(sha, []string{
    "limit_vgroup{yes}",
    "192.168.1.19{yes}",
  }, 10, 3,1548660999)

  if result, err := ret.Result(); err != nil {
    fmt.Println("发生异常，返回值：", err.Error())
  } else {
    fmt.Println("返回值：", result)
  }

 // 示例错误情况，sha 值不存在
  ret1 := redisdb.EvalSha(sha + "error", []string{
    "limit_vgroup{yes}",
    "192.168.1.19{yes}",
  }, 10, 3,1548660999)

  if result, err := ret1.Result(); err != nil {
    fmt.Println("发生异常，返回值：", err.Error())
  } else {
    fmt.Println("返回值：", result)
  }
}

执行上面的代码，返回值如下：