Redis进阶应用：Redis+Lua脚本实现复合操作

一、引言

Redis是高性能的key-value数据库，在很大程度克服了memcached这类key/value存储的不足，在部分场景下，是对关系数据库的良好补充。得益于超高性能和丰富的数据结构，Redis已成为当前架构设计中的首选key-value存储系统。

虽然Redis官网上提供了200多个命令，但做程序设计时还是避免不了为了实现一小步业务逻辑而多次调用Redis的情况。

以compare and set场景为例。如果使用Redis原生命令，需要从Redis中获取这个key，然后提取其中的值进行比对：如果相等就不做处理；如果不相等或者key不存在则将key设置成目标值。仅仅一个单点的compare and set操作就需要与Redis通讯两次。

此外，这种分散操作无法利用Redis的原子特性，占用多次网络IO。

今天我们就来探讨一下如何优雅地应对上述场景。

二、Redis与Lua

在介绍Lua之前，我们需要先对这个语言有个初步了解。Lua 是一个小巧的脚本语言，几乎可以运行在所有操作系统和平台上。我们一般不会用Lua处理特别复杂的事务，因此只需了解一些lua的基本语法即可。

Redis问世之后，其开发者也意识到了开篇提到的问题，因此Redis从2.6版本开始支持Lua脚本。新版本的Redis还支持Lua Script debug，感兴趣的小伙伴可以去官网的Documentation中找到对应介绍和QuickStart。

有了Lua脚本之后，使用Redis程序时便能够在以下方面实现显著提升：

减少网络开销：本来N次网络请求的操作，可以用一个请求完成。原先N次请求的逻辑放在Redis服务器上完成，减少了网络往返时延；
原子操作：Redis会将整个脚本作为一个整体执行，中间不会被其他命令插入。这是一个重要特性，一定要拿小本本记好。至于为什么是一个原子操作，我们以后再分析；
复用：客户端发送的脚本会永久存储在Redis中。这样其他客户端就可以复用这一脚本，而不需要使用代码完成同样的逻辑。

所以现在流传一句话：要想学好Redis，必会Lua Script。

三、通过Lua脚本实现compare and set

接下来我们就实现一个简单的compare and set，并通过这个例子感受一下Lua脚本给Redis使用带来的全新体验。

首先看一下如何让Redis执行Lua脚本。

3.1 Redis的EVAL

Redis 127.0.0.1:6379> EVAL script  numkeys key [key ...] arg [arg ...]

script：参数是一段 Lua 5.1 脚本程序。脚本不必(也不应该)定义为一个Lua函数。
numkeys：用于指定键名参数的个数。
key [key ...]：从 EVAL 的第三个参数开始算起，表示在脚本中所用到的Redis键(key)。在Lua中，这些键名参数可以通过全局变量 KEYS 数组，用1为基址的形式访问( KEYS[1] ，KEYS[2]，依次类推)。
arg [arg ...]：附加参数，在Lua中通过全局变量ARGV数组访问，访问的形式和KEYS变量类似( ARGV[1] 、 ARGV[2] ，诸如此类)。

这里借用一下官网的例子。

Redis进阶应用：Redis+Lua脚本实现复合操作

上述脚本直接返回了入参。

eval为Redis关键字；
第一个引号中的内容就是Lua脚本；
2为参数个数；
key1和key2是KEYS[1]、KEYS[2]的入参；
first和second是ARGV[1],ARGV[2]的入参。

大家可以简单地将KEYS[1],KEYS[2], ARGV[1],ARGV[2]理解为占位符。

3.2 执行脚本文件和缓存脚本

如果只能在命令行中写脚本执行，遇到复杂的脚本程序岂不是会抓狂？

下面我们来看一下，如何让Redis执行Lua脚本文件，同时也验证一下lua脚本的复用特性（以后我们再也不需要定期批量删除某些符合特定规则的key了）。

Redis 127.0.0.1:6379> SCRIPT LOAD  script
Redis 127.0.0.1:6379> EVALSHA sha1  numkeys key [key ...] arg [arg ...]

Redis提供了一个SCRIPTLOAD命令，命令后面的script即为Lua脚本。命令将脚本script添加到脚本缓存中，但并不立即执行这个脚本。执行命令后，Redis会返回一个SHA1串，第二个EVALSHA命令即可执行。

需要注意的是，脚本可以在缓存中保留无限长的时间，直到执行完SCRIPT FLUSH。我们来看一下效果。

Redis进阶应用：Redis+Lua脚本实现复合操作

Redis还支持直接执行Lua脚本文件。首先编写并存储一个Lua脚本。

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然后调用Redis-cli –eval命令

Redis进阶应用：Redis+Lua脚本实现复合操作

Redis-cli –eval命令语法基本与原eval语法相同。

3.3 使用Lua脚本实现compare and set

compareand set的实现逻辑是这样的：首先获取Redis中指定key的value，然后与给定值进行比较：如果相等，则将key设定为目标值并返回一个标识符；如果不相等，则不作任何操作并返回一个标识符。

if Redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1]  then
     Redis.call('set', KEYS[1], ARGV[2]);
     return 1
else
     return 0 end

下面我们来测试一下这个脚本。

首先向Redis的指定key compareAndSet:key写入一个值value

Redis进阶应用：Redis+Lua脚本实现复合操作

在Redis中执行lua脚本

Redis进阶应用：Redis+Lua脚本实现复合操作

可以看到第一次执行返回1，说明修改成功了；再使用原参数执行时返回0，说明没有做任何修改。我们再查询一下compareAndSet:key这个key

Redis进阶应用：Redis+Lua脚本实现复合操作

可以看到compareAndSet:key这个key已经被修改为new_value了。

四、总结

我们通过lua脚本实现了一个简单的compareAndSet操作。

下面我们通过这个例子来验证一下开篇提到的特性。

减少网络开销：不使用脚本的情况下，我们实现一个compareAndSet至少需要与Redis交互两次，而现在只需要执行一次操作即可完成；
原子操作：得益于Redis的设计，Redis会将整个脚本作为一个整体执行，中间不会被其他命令插入。因此在编写脚本的过程中无需担心出现竞态条件，无需使用事务，感兴趣的可以百度或等待以后后续文章更新；
复用：可以将一系列操作封装成一个Lua脚本，存储在文件或Redis上，下次使用时直接调用即可。

读到这里，希望你已经对Redis+Lua有了一定的了解，并能使用脚本完成一些简单的复合操作。后续还会继续更新一些基于Lua脚本+java程序实现的分布式数据结构，如延迟队列、可重入锁等，感兴趣的小伙伴可以持续关注。

作者：李崇