聊聊redis執行lua原理
從一次面試場景說起
“看你簡歷上寫的精通redis”
“額，還可以啦”
“那你說說redis執行lua指令碼的原理”
“這個，這個，不就是那麼執行的嗎，eval 一段lua指令碼就行了”
“好的，瞭解了，今天面試先到這個吧，後續有訊息會通知你”
“好的，祝您生活愉快”
面試場景純屬娛樂，但這個面試題確實是筆者真實遇到過的，今天我們就來看看redis執行lua指令碼的原理，希望通過本篇學習可以解決心中的困惑，更深層次的講可以瞭解到兩種不同語言溝通的一點思想，我覺得這個是最寶貴的。
名詞解釋
redis：一個高效能的k，v資料庫，基於C語言編寫；
lua：一種輕量小巧的指令碼語言，用標準C語言編寫並以原始碼形式開放， 其設計目的是為了嵌入應用程式中，從而為應用程式提供靈活的擴充套件和定製功能。
需求緣起
首先說說什麼場景下需要用到lua指令碼，當你想一次執行一批redis指令而且又不希望中途被其他指令打斷的時候，也許有人說pipeline不香嗎？是的，pipeline也是一種提高效能的方法，但是它自身有兩個特點在某些場景下是無法替代lua指令碼的，其一：pipeline的執行是無法保證原子性的；其二：pipeline多條指令之間是無法共享上下文的，這個怎麼理解呢，比如pipeline中包括A，B兩條指令，如果B指令需要依賴A指令的執行結果，這時是無法獲取到的，舉個簡單例子如下：
判斷key1是否等於value1，如果等於就刪除key1，否則什麼都不做。
按正常思維這個程式碼很簡單，兩行程式碼搞定
if "value1".equals(jedis.get("key1") { //@1
jedis.del("key1") //@2
}
但是老司機一看就會說這個是有問題的，因為@1和@2之間有可能會插入其他指令，比如jedis.set("key1","value2")，那怎麼解決呢，很簡單，直接一段lua指令碼完事，如下：
if redis.call("get",KEYS[1]) == ARGV[1]
then
return redis.call("del",KEYS[1])
else
return 0
end
初識eval api
EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]
從 Redis 2.6.0 版本開始，通過內建的 Lua 直譯器，可以使用 EVAL 命令對 Lua 指令碼進行求值。
script 引數是一段 Lua 指令碼程式，它會被執行在 Redis 伺服器上下文中，這段指令碼不必(也不應該)定義為一個 Lua 函式。
numkeys 引數用於指定鍵名引數的個數。
鍵名引數 key [key ...] 從 EVAL 的第三個引數開始算起，表示在指令碼中所用到的那些 Redis 鍵(key)，這些鍵名引數可以在 Lua 中通過全域性變數 KEYS 陣列，用 1 為基址的形式訪問( KEYS[1] ， KEYS[2] ，以此類推)。
在命令的最後，那些不是鍵名引數的附加引數 arg [arg ...] ，可以在 Lua 中通過全域性變數 ARGV 陣列訪問，訪問的形式和 KEYS 變數類似( ARGV[1] 、 ARGV[2] ，諸如此類)。
上面這幾段長長的說明可以用一個簡單的例子來概括：
eval "return redis.call('set',KEYS[1],'bar')" 1 foo
執行流程初探
上面提到通過eval 指令來執行一段lua指令碼，現在就來看看具體的執行流程是什麼樣的，先放一張redis執行指令的整體流程，對執行過程感興趣的可以參考我另一篇文章redis工作流程初探。
現在從上圖中6.1開始看起，redis根據命令執行相應的函式，eval對應的函式是evalCommand，看下evalCommand的大體流程。
這裡先放一個最簡化的流程圖，隨著過程深入慢慢豐富這個流程。
看完這個簡化流程，我這裡先拋幾個問題出來，後面一一解答。
-
為什麼要根據script生成functionName？
-
如何動態生成function？
-
具體是如何執行function的？
剖析
上一節拋了三個問題出來，這節將一一解答。
問題1：為什麼要根據script生成functionName？
lua雖然可以直接執行語句，但是Lua開放給C呼叫的介面是以函式為單位，所以這裡需要為script生成一個函式名稱，具體生成邏輯可以簡單理解為對script採用sha1演算法生成的雜湊串。
問題2：如何動態生成function？
首先看下lua中的函式定義格式如下：
function 方法名(引數1，引數2) return 結果 end
假設執行eval "redis.call('get','aaaa')" 0
那麼會根據以下規則生成function的字串定義：
-
根據script生成functionName，值為f_c1e0a03d7d32d0ade6850909efd61f92337847a8；
-
將script內容作為函式體；
最終得到的結果是：
function f_7c6f28e03fe1da50a15a7396fd66d0927ee4f350() redis.call('get','aaa') end
以上只是生成了function的字串定義，真正要生成lua的函式還需要藉助Lua供的函式lua_load
int lua_load (lua_State *L,
lua_Reader reader,
void *data,
const char *chunkname);
Loads a Lua chunk. If there are no errors, lua_load pushes the compiled chunk as a Lua function on top of the stack. Otherwise, it pushes an error message. The return values of lua_load are:
lua_load automatically detects whether the chunk is text or binary, and loads it accordingly (see program luac).
The lua_load function uses a user-supplied reader function to read the chunk (see lua_Reader). The data argument is an opaque value passed to the reader function.
The chunkname argument gives a name to the chunk, which is used for error messages and in debug information (see §3.8).
問題3：具體是如何執行function的？
通過前面的部分redis根據script已經動態生成了function，接下來就可以呼叫function了，這塊是最核心的部分了。
總體來說C語言呼叫Lua函式時需要藉助Lua提供的lua_call介面
void lua_call (lua_State *L, int nargs, int nresults);
這個介面一共需要三個引數，各自的含義如下：
L：lua_State型別變數，用來儲存執行過程中的狀態，包括函式，引數，返回值等；
nargs：本次函式呼叫所需要的引數個數；
nresults：本地呼叫結束以後期待的返回值個數；
看到這兒還是有一些懵逼，C到底是怎麼呼叫Lua函式的呢？對於兩個異構系統的相互呼叫一般需要兩個條件：
-
存在一層適配層，這一層負責做相關的轉換，對於C和Lua互調來說，這一層由Lua底層實現，比如上面的luc_call，lua_load等等；
-
需要某種通訊協議來達成共識，這樣才能順暢的交流；
而剛才提到的某種通訊協議在lua_call的介面說明中也提到了，具體如下：
首先，要呼叫的函式被壓入棧；然後，該函式的引數按直接順序入棧；也就是說，第一個引數先入棧。最後呼叫lua_call實現函式呼叫; nargs是您壓入堆的引數數量。呼叫函式時，將從棧中彈出所有引數和函式。函式返回時，函式結果將被壓入棧，函式結果以直接順序被推入堆疊（第一個結果被首先推入），因此在呼叫之後，最後一個結果在堆疊頂部。
通過一組圖描述下呼叫過程
階段1-載入函式
lua_load
階段2-函式入棧
lua_getglobal(luaState, funcname);
階段3-引數入棧
lua_pushnil、lua_pushnumber、lua_pushstring等
階段4-函式呼叫
lua_call(luaState, 2, 1);//呼叫函式，該函式接收兩個引數，最終一個返回值
階段5-獲取返回值
lua_tostring(luaState, -1)//以字串形式返回棧頂元素，也就是返回值
綜上所述，C呼叫lua函式之前需要將要呼叫的函式，函式需要的引數入棧，最終使用lua_call來實現函式呼叫，呼叫時需要明確的指出本地呼叫的引數個數，返回值個數，看到這兒你可能會問，為什麼還需要指出引數個數、返回值個數呢？其實這就是所謂的通訊協議，通訊載體是一個棧，棧裡面即放了函式，也放了函式引數，適配層（其實就是lua底層）如何知道函式在什麼位置呢？執行完以後該返回幾個結果呢（lua函式可以返回多個結果，但呼叫者可能不需要這麼多）？這些都需要呼叫者明確的告訴適配層。
這裡放個C語言呼叫Lua的例子來幫助理解，程式碼如下：
#include <lua.h>
#include <lauxlib.h>
#include <lualib.h>
int main(void){
//定義一段lua函式
char lua_func[] = "function hello(v) return v end";
//建立luaState
lua_State* L = luaL_newstate();
//載入lua_func中內容為一個lua函式
if (luaL_loadbuffer(L, lua_func, strlen(lua_func), "@user_script")){
printf(lua_tostring(L, -1));
return -1;
}
lua_pcall(L, 0, LUA_MULTRET, 0);
//hello函式入棧
lua_getglobal(L, "hello");
//hello函式所需引數入棧
lua_pushstring(L, "world");
//使用lua_pcall呼叫hello函式，告訴它需要一個引數一個返回值
if (lua_pcall(L, 1, 1, 0)){
//如果呼叫失敗輸出錯誤資訊，錯誤資訊在棧的頂部，所以用lua_tostring(L,-1)
printf(lua_tostring(L, -1));
getchar();
return -1;
}
//沒有錯誤，輸出hello函式返回值，返回值在棧的頂部
printf(lua_tostring(L, -1));
//這個是為了讓命令列不要退出
getchar();
return 0;
}
可以看到輸出了hello函式返回的引數值“world”
更進一步
前面的章節僅僅能算一個鋪墊，只是聊了聊C語言呼叫Lua函式的知識，離“redis中Lua執行原理”真相還差一截，為什麼這麼說呢？
我們依然以前面的那段lua指令碼
eval "return redis.call('set',KEYS[1],'bar')" 1 foo
來展開，redis.call從字面理解對應著一次redis操作，這個操作難道是lua完成的？
redis.call('set',KEYS[1],'bar')可以理解為呼叫了redis物件（Lua語言中應該叫table）的call方法，引數分別為'set',KEYS[1],'bar'，當執行redis.call時，其最終會對映到redis原始碼中的luaRedisCallCommand方法，這個對映操作是在redis啟動時scriptingInit函式完成的，跟著原始碼看下這塊邏輯：
void scriptingInit(void) {
//1.初始化luaState
lua_State *lua = lua_open();
//2.載入一些lua庫
luaLoadLibraries(lua);
luaRemoveUnsupportedFunctions(lua);
//3.初始化一個空的lua table，併入棧s，這時table在棧頂，對應的index=-1
lua_newtable(lua);
//4.壓字串"call"入棧，這時"call"在棧頂，index=-1，前一步的table在棧底
//對應的index=-2
lua_pushstring(lua,"call");
//5.壓c函式luaRedisCallCommand入棧，這時"luaRedisCallCommand"在棧頂，index=-1，
//前兩步壓入棧的table和"call"在棧中的index分別為-3，-2
lua_pushcfunction(lua,luaRedisCallCommand);
//6.為table賦值，table處在-3位置，依次從棧中彈出兩個元素作為table的
//value和key，執行table[key] = value，賦值以後的table類似於這樣的結構
//{"call":luaRedisCallCommand}
//lua_settable以後棧中只剩table
lua_settable(lua,-3);
//7.從棧頂彈出一個元素設定為全域性變數，並命名為redis，因為目前棧中只剩
//table，所以redis就是table
lua_setglobal(lua,"redis");
}
上面這段程式碼的主要作用是將redis.call這個Lua呼叫對映為luaRedisCallCommand這個C呼叫，那接下來應該還有兩個點值得我們關注：
-
引數如何傳遞給C函式的；
-
C函式呼叫完成以後如何返回結果給Lua。
前面在說C呼叫Lua時說過，對於兩個異構系統的相互呼叫一般需要兩個條件：
-
存在一層適配層，這一層負責做相關的轉換，對於C和Lua互調來說，這一層由Lua底層實現，比如上面的luc_call，lua_load等等；
-
需要某種通訊協議來達成共識，這樣才能順暢的交流；
同樣的，這兩個前提條件同樣適用於Lua呼叫C，轉換依然由Lua底層實現，通訊載體依然是一個棧，通訊協議雖然有一點變化，但是原理類似，具體如下：
Lua底層對存在C對映關係的lua函式呼叫時，比如redis.call，Lua底層會將函式引數依次壓棧，當C函式呼叫時從棧中獲取引數，C函式執行完成以後將返回值壓棧，C函式的返回結果為返回值的數量，Lua底層根據函式返回值去棧中獲取一定數量的值作為lua的返回值；
通過一組圖描述下呼叫過程：
階段1-c函式入棧
void lua_pushcfunction (lua_State *L, lua_CFunction f);
階段2-將C函式設定為lua全域性變數，其實就是lua呼叫到c呼叫的對映
void lua_setglobal (lua_State *L, const char *name);
階段3-函式呼叫
redis.call('set',KEYS[1],'bar')
lua底層會將redis.call這個lua呼叫的引數依次壓棧，然後觸發對應的C函式，比如luaRedisCallCommand，它會從棧中獲取引數然後執行。
階段4-C函式呼叫完成
lua_pushxxx(luaState,結果);//結果壓棧 return 1;//返回結果的個數
階段5-獲取C函式執行結果
這一步是由lua底層自動完成的，lua底層根據C函式的返回結果去棧中獲取相應的結果，比如返回值為1，那就獲取棧頂元素作為返回值，如果返回值為2，那就獲取棧頂前兩個元素作為返回值。
最後一起來看下luaRedisGenericCommand這個C函式的原始碼：
int luaRedisGenericCommand(lua_State *lua, int raise_error) {
//獲取函式個數
int j, argc = lua_gettop(lua);
struct redisCommand *cmd;
robj **argv;
redisClient *c = server.lua_client;
sds reply;
/* Build the arguments vector */
argv = zmalloc(sizeof(robj*)*argc);
//從棧中依次獲取各引數的值
for (j = 0; j < argc; j++) {
if (!lua_isstring(lua,j+1)) break;
argv[j] = createStringObject((char*)lua_tostring(lua,j+1),
lua_strlen(lua,j+1));
}
/* Setup our fake client for command execution */
//將引數個數和引數值告訴redis client，這裡比較有意思，為什麼叫
//fake client呢？正常情況下redis client都是真實的應用程式，但是這裡是
//redis server偽造的一個redis client
c->argv = argv;
c->argc = argc;
/* Command lookup */
//根據redis命令查詢對應的c函式，argv[0]就是redis命令
cmd = lookupCommand(argv[0]->ptr);
if (!cmd || ((cmd->arity > 0 && cmd->arity != argc) ||
(argc < -cmd->arity)))
{
if (cmd)
luaPushError(lua,
"Wrong number of args calling Redis command From Lua script");
else
luaPushError(lua,"Unknown Redis command called from Lua script");
goto cleanup;
}
/* There are commands that are not allowed inside scripts. */
if (cmd->flags & REDIS_CMD_NOSCRIPT) {
luaPushError(lua, "This Redis command is not allowed from scripts");
goto cleanup;
}
/* Write commands are forbidden against read-only slaves, or if a
* command marked as non-deterministic was already called in the context
* of this script. */
if (cmd->flags & REDIS_CMD_WRITE) {
if (server.lua_random_dirty) {
luaPushError(lua,
"Write commands not allowed after non deterministic commands");
goto cleanup;
} else if (server.masterhost && server.repl_slave_ro &&
!server.loading &&
!(server.lua_caller->flags & REDIS_MASTER))
{
luaPushError(lua, shared.roslaveerr->ptr);
goto cleanup;
} else if (server.stop_writes_on_bgsave_err &&
server.saveparamslen > 0 &&
server.lastbgsave_status == REDIS_ERR)
{
luaPushError(lua, shared.bgsaveerr->ptr);
goto cleanup;
}
}
if (cmd->flags & REDIS_CMD_RANDOM) server.lua_random_dirty = 1;
if (cmd->flags & REDIS_CMD_WRITE) server.lua_write_dirty = 1;
/* Run the command */
c->cmd = cmd;
//呼叫具體的C函式
call(c,REDIS_CALL_SLOWLOG | REDIS_CALL_STATS);
/* Convert the result of the Redis command into a suitable Lua type.
* The first thing we need is to create a single string from the client
* output buffers. */
//解析響應結果
reply = sdsempty();
if (c->bufpos) {
reply = sdscatlen(reply,c->buf,c->bufpos);
c->bufpos = 0;
}
while(listLength(c->reply)) {
robj *o = listNodeValue(listFirst(c->reply));
reply = sdscatlen(reply,o->ptr,sdslen(o->ptr));
listDelNode(c->reply,listFirst(c->reply));
}
if (raise_error && reply[0] != '-') raise_error = 0;
//根據不同的響應將返回值壓入棧
redisProtocolToLuaType(lua,reply);
/* Sort the output array if needed, assuming it is a non-null multi bulk
* reply as expected. */
if ((cmd->flags & REDIS_CMD_SORT_FOR_SCRIPT) &&
(reply[0] == '*' && reply[1] != '-')) {
luaSortArray(lua);
}
sdsfree(reply);
c->reply_bytes = 0;
cleanup:
/* Clean up. Command code may have changed argv/argc so we use the
* argv/argc of the client instead of the local variables. */
for (j = 0; j < c->argc; j++)
decrRefCount(c->argv[j]);
zfree(c->argv);
if (raise_error) {
/* If we are here we should have an error in the stack, in the
* form of a table with an "err" field. Extract the string to
* return the plain error. */
lua_pushstring(lua,"err");
lua_gettable(lua,-2);
return lua_error(lua);
}
//返回結果的數量
return 1;
}
總結
redis和Lua能夠直接通訊得益於底層都是C實現的，關鍵在於LuaState，可以簡單理解為一個棧，充當了通訊的載體，其次就是通訊協議的定義，引數的傳遞、返回值的獲取、方法的呼叫都通過簡單的入棧、出棧操作實現。
推薦閱讀
Lua官方文件 http://www.lua.org/manual/5.1/manual.html
Lua程式設計指南 http://www.lua.org/pil/24.html http://www.lua.org/pil/25.html http://www.lua.org/pil/26.html