Redis中的Lua脚本(一)

Lua脚本

概述

Redis从2.6版本开始引入对Lua脚本的支持，通过在服务器中嵌入Lua环境,Redis客户端可以使用Lua脚本，直接在服务器端原子地执行多个Redis命令。其中使用EVAL命令可以直接对输入的脚本进行求值:

127.0.0.1:6379> EVAL "return 'hello world'" 0
"hello world"

而使用EVALSHA命令则可以根据脚本的SHA1校验和来对脚本进行求值，但这个命令要求校验和对应的脚本必须至少被EVAL命令执行过
一次:

127.0.0.1:6379> EVAL "return 1+1" 0
(integer) 2
127.0.0.1:6379> EVALSHA "a27e7e8a43702b7046d4f6a7ccf5b60cef6b9bd9" 0 // 上一个脚本的校验和
(integer) 2

或者这个校验和对应的脚本曾经被SCRIPT LOAD命令载入过:

127.0.0.1:6379> SCRIPT Load "return 2*2"
"4475bfb5919b5ad16424cb50f74d4724ae833e72"
127.0.0.1:6379> EVALSHA "4475bfb5919b5ad16424cb50f74d4724ae833e72" 0
(integer) 4

创建并修改Lua环境

为了在Redis服务器中执行Lua脚本，Redis在服务器内嵌了一个Lua环境(evnironment)，并对这个Lua环境进行了一系列修改，从而确保这个Lua环境可以满足Redis服务器的需要。Redis服务器创建并修改Lua环境的整个过程由以下步骤组成:

1.创建一个基础的Lua环境，之后的所有修改都是针对这个环境进行的。
2.载入多个函数库到Lua环境里面，让Lua脚本可以使用这些函数库来进行数操作
3.创建全局表格redis，这个表格包含了对Redis进行操作的函数，比如用于在Lua脚本中执行Redis命令的redis.call函数
4.使用Redis自制的随机函数来替换Lua原有的带有副作用的随机函数，从而避免在脚本中引入副作用
5.创建排序辅助函数，Lua环境使用这个辅佐函数来对一部分Redis命令的结果进行排序，从而消除这些命令的不确定性
6.创建redis.pcall函数的错误报告辅助函数，这个函数可以提供更详细的出错信息
7.对Lua环境中的全局环境进行保护，防止用户在执行Lua脚本的过程中，将额外的全局变量添加到Lua环境中
8.将完成修改的Lua环境保存到服务器状态的Lua环境中，等待执行服务器传来的Lua脚本

创建Lua环境

服务器首先调用Lua的C API函数lua_open，创建一个新的Lua环境。因为lua_open函数创建的只是一个基本的Lua环境，为了让这个Lua环境可以满足Redis的操作要求，接下来服务器将对这个Lua环境进行一系列修改。

载入函数库

Redis修改Lua环境的第一步，就是将以下函数库载入到Lua环境里面:

1.基础库(base library):这个库包含Lua的核心(core)函数，比如assert、error、pairs、tostring、pcall等。另外，为了防止用户从外部文件中引入不安全的代码，库中的loadfile函数会被删除
2.表格库(table library):这个库包含用于处理表格的通用函数。比如table.concat、table.insert、table.remove、table.sort等
3.字符串库(string library):这个库包含用于处理字符串的通用函数，比如用于对字符串进行查找的string.find函数，对字符串进行格式化的string.format函数，查看字符串长度的string.len函数，对字符串进行反转的string.reverse函数等
4.数据库(math libraray):这个库是标准C语言数据库的结构，它包括计算绝对值的math.abs函数，返回多个数中的最大值和最小值的math.max函数和math.min函数，计算二次方根的math.sqrt函数，计算对数的math.log函数等
5.调试库(debug libraray):这个库提供了对程序进行调试所需的函数，比如对程序设置钩子和取得钩子的debug.sethook函数和debug.gethook函数，返回给定函数相关信息的debug.getinfo函数，为对象设置元数据的debug.setmetatable函数，获取对象元数据的debug.getmetatable函数等
6.Lua CJSON库:这个库用于处理UTF-8编码的JSON格式，其中cjson.decode函数将一个JSON格式的字符串转换为一个Lua值，
而cjson.encode函数将一个Lua值序列化为JSON格式的字符串
7.Struct库:这个库用于在Lua值和C结构(struct)之间进行转换，函数struct.pack将多个Lua值打包成一个类结构(struct-like)字符串，而函数struct.unpack则从一个类结构字符串中解包出多个Lua值
8.Lua cmsgpack库:这个库用于处理MessagePack格式的数据，其中cmsgpack.pack函数将Lua值转换为MessagePack数据，而cmsgpack.unpack函数则将messagepack数据转换为Lua值通过使用这些功能强大的函数库，Lua脚本可以直接对执行Redis命令获得的数据进行复杂的操作

创建Redis全局

服务器将在Lua环境中创建一个redis表格(table)，并将它设置为全局变量，这个redis表格包含以下函数:

1.用于执行Redis命令的redis.call和redis.pcall函数
2.用于记录Redis日志(log)的redis.log函数，以及相应的日志级别(level)常量:redis.LOG_DEBUG,redis.LOG_VERBOSE,redis.LOG_NOTICE以及redis.LOG_WARNING
3.用于计算SHA1校验和的redis.sha1hex函数
4.用于返回错误信息的redis.error_reply函数和redis.status_reply函数。
在这些函数里面，最常用也最重要的要数redis.call函数和redis.pcall函数，通过这两个函数，用户可以直接在Lua脚本中执行Redis命令:

127.0.0.1:6379> EVAL "return redis.call('ping')" 0
PONG

使用Redis自制的随机函数来替换Lua原有的随机函数

为了保证相同的脚本可以在不同的机器上产生相同的结果，Redis要求所有传入服务器的Lua脚本，以及Lua环境中的所有函数，都必须是无副作用(side effect)的纯函数(pure function).但是，在之前载入Lua环境的match函数库中，用于生成随机数的math.random函数和math.randomseed函数都是带有副作用的，它们不符合Redis对Lua环境的无副作用要求。因为这个原因，Redis使用自制的函数替换了math库中原有的math.random函数和math.randomseed函数，替换之后的两个函数有以下特征:

1.对于相同的seed来说，math.random总产生相同的随机数绪列，这个函数是一个纯函数
2.除非在脚本中使用math.randomseed显示地修改seed，否则每次运行脚本时，Lua环境都使用固定地math.randomseed(0)语句来初始化seed

例子

举个例子。使用以下脚本，我们可以打印seed值为0时，math.random对于输入10至1所产生地随机绪列

--random-with-default-seed.lualocal i = 10
local seq ={}
while (i > 0) do
seq[i] = math.random(i)
i = i+1
endreturn seq

无论执行这个脚本多少次产生的值都是相同的

E:\redis>redis-cli --eval test.lua
1) (integer) 1
2) (integer) 2
3) (integer) 2
4) (integer) 3
5) (integer) 4
6) (integer) 4
7) (integer) 7
8) (integer) 1
9) (integer) 7
10) (integer) 2

但是如果我们在另一个脚本里面调用math.randomseed将seed修改为10086

--random-with-default-seed.luamath.randomseed(10086) -- change seed
local i = 10
local seq ={}
while (i > 0) do
seq[i] = math.random(i)
i = i-1
endreturn seq

那么这个脚本生成的随机数绪列将和使用默认seed值0时生成的随机绪列不同:

E:\redis>redis-cli --eval test1.lua
1) (integer) 1
2) (integer) 1
3) (integer) 2
4) (integer) 1
5) (integer) 1
6) (integer) 3
7) (integer) 1
8) (integer) 1
9) (integer) 3
10) (integer) 1