Redis 创建并修改 Lua 环境

2018-08-02 14:57 更新

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(environment), 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据操作。
  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 环境里面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了 Lua 环境里面。
  8. 将完成修改的 Lua 环境保存到服务器状态的 lua 属性里面, 等待执行服务器传来的 Lua 脚本。

接下来的各个小节将分别介绍这些步骤。

创建 Lua 环境

在最开始的这一步, 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:

  • 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。
  • 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, 等等。
  • 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, 对字符串进行翻转的 string.reverse 函数, 等等。
  • 数学库(math library): 这个库是标准 C 语言数学库的接口, 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, 等等。
  • 调试库(debug library): 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, 等等。
  • Lua CJSON 库(http://www.kyne.com.au/~mark/software/lua-cjson.php): 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。
  • Struct 库(http://www.inf.puc-rio.br/~roberto/struct/): 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。
  • Lua cmsgpack 库(https://github.com/antirez/lua-cmsgpack): 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 全局表格

在这一步, 服务器将在 Lua 环境中创建一个 redis 表格(table), 并将它设为全局变量。

这个 redis 表格包含以下函数:

  • 用于执行 Redis 命令的 redis.call 和 redis.pcall 函数。
  • 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 。
  • 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。

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:

redis> 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, 在之前载入到 Lua 环境的 math 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:

  • 对于相同的 seed 来说, math.random 总产生相同的随机数序列, 这个函数是一个纯函数。
  • 除非在脚本中使用 math.randomseed 显式地修改 seed , 否则每次运行脚本时, Lua 环境都使用固定的 math.randomseed(0) 语句来初始化 seed 。

比如说, 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 所产生的随机序列:

无论执行这个脚本多少次, 产生的值都是相同的:

$ redis-cli --eval random-with-default-seed.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 :

那么这个脚本生成的随机数序列将和使用默认 seed 值 0 时生成的随机序列不同:

$ redis-cli --eval random-with-new-seed.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

创建排序辅助函数

上一个小节说到, 为了防止带有副作用的函数令脚本产生不一致的数据, Redis 对 math 库的 math.random 函数和 math.randomseed 函数进行了替换。

对于 Lua 脚本来说, 另一个可能产生不一致数据的地方是那些带有不确定性质的命令。

比如对于一个集合键来说, 因为集合元素的排列是无序的, 所以即使两个集合的元素完全相同, 它们的输出结果也可能并不相同。

考虑下面这个集合例子:

redis> SADD fruit apple banana cherry
(integer) 3

redis> SMEMBERS fruit
1) "cherry"
2) "banana"
3) "apple"

redis> SADD another-fruit cherry banana apple
(integer) 3

redis> SMEMBERS another-fruit
1) "apple"
2) "banana"
3) "cherry"

这个例子中的 fruit 集合和 another-fruit 集合包含的元素是完全相同的, 只是因为集合添加元素的顺序不同, SMEMBERS 命令的输出就产生了不同的结果。

Redis 将 SMEMBERS 这种在相同数据集上可能会产生不同输出的命令称为“带有不确定性的命令”, 这些命令包括:

  • SINTER
  • SUNION
  • SDIFF
  • SMEMBERS
  • HKEYS
  • HVALS
  • KEYS

为了消除这些命令带来的不确定性, 服务器会为 Lua 环境创建一个排序辅助函数 __redis__compare_helper , 当 Lua 脚本执行完一个带有不确定性的命令之后, 程序会使用 __redis__compare_helper 作为对比函数, 自动调用 table.sort 函数对命令的返回值做一次排序, 以此来保证相同的数据集总是产生相同的输出。

举个例子, 如果我们在 Lua 脚本中对 fruit 集合和 another-fruit 集合执行 SMEMBERS 命令, 那么两个脚本将得出相同的结果 —— 因为脚本已经对 SMEMBERS 命令的输出进行过排序了:

redis> EVAL "return redis.call('SMEMBERS', KEYS[1])" 1 fruit
1) "apple"
2) "banana"
3) "cherry"

redis> EVAL "return redis.call('SMEMBERS', KEYS[1])" 1 another-fruit
1) "apple"
2) "banana"
3) "cherry"

创建 redis.pcall 函数的错误报告辅助函数

在这一步, 服务器将为 Lua 环境创建一个名为 __redis__err__handler 的错误处理函数, 当脚本调用 redis.pcall 函数执行 Redis 命令, 并且被执行的命令出现错误时, __redis__err__handler 就会打印出错代码的来源和发生错误的行数, 为程序的调试提供方便。

举个例子, 如果客户端要求服务器执行以下 Lua 脚本:

那么服务器将向客户端返回一个错误:

$ redis-cli --eval wrong-command.lua
(error) @user_script: 4: Unknown Redis command called from Lua script

其中 @user_script 说明这是一个用户定义的函数, 而之后的 4 则说明出错的代码位于 Lua 脚本的第四行。

保护 Lua 的全局环境

在这一步, 服务器将对 Lua 环境中的全局环境进行保护, 确保传入服务器的脚本不会因为忘记使用 local 关键字而将额外的全局变量添加到了 Lua 环境里面。

因为全局变量保护的原因, 当一个脚本试图创建一个全局变量时, 服务器将报告一个错误:

redis> EVAL "x = 10" 0
(error) ERR Error running script
(call to f_df1ad3745c2d2f078f0f41377a92bb6f8ac79af0):
@enable_strict_lua:7: user_script:1:
Script attempted to create global variable 'x'

除此之外, 试图获取一个不存在的全局变量也会引发一个错误:

redis> EVAL "return x" 0
(error) ERR Error running script
(call to f_03c387736bb5cc009ff35151572cee04677aa374):
@enable_strict_lua:14: user_script:1:
Script attempted to access unexisting global variable 'x'

不过 Redis 并未禁止用户修改已存在的全局变量, 所以在执行 Lua 脚本的时候, 必须非常小心, 以免错误地修改了已存在的全局变量:

redis> EVAL "redis = 10086; return redis" 0
(integer) 10086

将 Lua 环境保存到服务器状态的 lua 属性里面

经过以上的一系列修改, Redis 服务器对 Lua 环境的修改工作到此就结束了, 在最后的这一步, 服务器会将 Lua 环境和服务器状态的 lua属性关联起来, 如图 IMAGE_REDIS_SERVER_LUA 所示。

因为 Redis 使用串行化的方式来执行 Redis 命令, 所以在任何特定时间里, 最多都只会有一个脚本能够被放进 Lua 环境里面运行, 因此, 整个 Redis 服务器只需要创建一个 Lua 环境即可。

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