Redis源码学习：Lua脚本
1.Sublime Text配置
我是在Win7下，用Sublime Text + Cygwin开发的，配置方法请参考《Sublime Text 3下C/C++开发环境搭建》。
要注意的是：在Cygwin中安装Lua解析器后，SublimeClang插件就能识别出可饮用的Lua头文件了，因为Build System中我们已经配置过"-I", "D:\cygwin64\usr\include"，而新安装的Lua头文件会添加到这里。但是，编译时却无法链接到头文件对应的动态链接库。此时，还需要添加一个链接选项lua5.1，修改后的完整Build System配置文件如下：
{
"path": "D:\cygwin64\bin",
"cmd": ["gcc", "-I", "D:\cygwin64\usr\include", "${file}", "-o", "${file_path}/${file_base_name}", "-lm", "-llua5.1", "-Wall", "&", "start", "${file_path}/${file_base_name}.exe"],
"file_regex": "^(..[^:]*):([0-9]+):?([0-9]+)?:? (.*)$",
"working_dir": "${file_path}",
"selector": "source.c, source.c++",
"shell": true,
"variants":
[
{
"name": "Run::Cygwin",
"cmd": [ "start", "${file_path}/${file_base_name}.exe"]
}
]
}2.Lua基础
2.1 执行脚本
首先创建一个最简单的helloworld脚本hello.lua：
print("helloworld!")下面详细解释一下从C代码中如何执行Lua脚本文件。不管是如何执行，Lua脚本的执行过程都分为以下五步。以下面一段代码框架适用于后面所有示例程序：
- 初始化解释器：lua_open是一个宏定义，等同于luaL_newstate()。创建出的lua_state也暗示了，Lua解释器不使用C全局变量，而是将所有状态都保存到lua_state这个数据结构中。
- 加载类库：luaL_openLibs()加载常用类库，如core、table、string、math等等。
- 加载并编译代码/脚本文件：通常由luaL_loadfile()或luaL_loadbuffer()来完成，注意这只会将Lua代码编译好，并不会真正执行。下面例子中lua_dofile等同于luaL_loadfile(L, fn) || lua_pcall(L, 0, LUA_MULTRET, 0)，两步合并为一步了。
- 执行代码/脚本文件：由lua_pcall()完成，会根据当前栈上的函数名、参数执行。当错误时处理方式与上一步加载雷同，都是打印异常日志，然后从栈上弹出错误处理器，最后直接返回或退出。
- 清理释放：lua_close()清理释放解释器占用的资源。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <lua.h>
#include <lualib.h>
#include <lauxlib.h>
void execute_from_script(char *filename);
int main(int argc, char const *argv[])
{
execute_from_script("hello.lua");
return 0;
}
/**
* Execute from Lua script.
* @param filename script file name
*/
void execute_from_script(char *filename)
{
/* Lua interpreter */
lua_State *lua = lua_open();
/* Open Lua standard lib: io, string... */
luaL_openlibs(lua);
/* Execute code in script */
if (luaL_dofile(lua, filename)) {
fprintf(stderr, "Error when executing script: %s, %s
",
filename, lua_tostring(lua, -1));
/* Remove error handler */
lua_pop(lua, 1);
return;
}
/* Release all resource used */
lua_close(lua);
}2.2 执行代码
为了简化后面的示例代码，对错误处理统一封装成bail()函数：
void bail(lua_State *lua, char *msg, char *arg)
{
fprintf(stderr, "%s %s: %s
", msg, arg, lua_tostring(lua, -1));
exit(-1);
}这一次我们不单独创建一个Lua脚本文件，而是将Lua代码嵌入到C代码中直接执行！
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <lua.h>
#include <lualib.h>
#include <lauxlib.h>
void execute_from_code(char *code);
int main(int argc, char const *argv[])
{
execute_from_code("print("hello world!!!")");
return 0;
}
/**
* Execute Lua command directly.
* @param code Lua command
*/
void execute_from_code(char *code)
{
lua_State *lua = lua_open();
luaL_openlibs(lua);
// Load & compile command and execute immediately
if (luaL_loadbuffer(lua, code, strlen(code), "line")
|| lua_pcall(lua, 0, 0, 0))
bail(lua, "Error when executing code", code);
lua_close(lua);
}2.3 执行函数
在这个例子中，我们执行脚本文件中的函数，而不是直接一段Lua代码。在C代码中调用Lua函数时，如何传入参数值和获取返回值是学习的重点：
Lua脚本如下：
function say_hello(name)
return "Hello, " .. name .. "!"
endC示例代码如下。注意加载并编译函数后，lua_getglobal(lua, funcname)是关键，这一句会在全局中查找函数，并将函数的指针压到栈上。这样后面调用lua_pcall()时才不会报错：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <lua.h>
#include <lualib.h>
#include <lauxlib.h>
void execute_function_from_script(char *filename, char *funcname, char *arg);
void execute_function_from_code(char *code);
int main(int argc, char const *argv[])
{
execute_function_from_script("hellofunc.lua", "say_hello", "cdai008");
return 0;
}
/**
* Execute Lua function from script
* @param filename script file name
* @param funcname function name
* @param arg arguments
*/
void execute_function_from_script(char *filename, char *funcname, char *arg)
{
lua_State *lua = lua_open();
luaL_openlibs(lua);
/* 1.Load and compile function code */
if (luaL_loadfile(lua, filename) || lua_pcall(lua, 0, 0, 0))
bail(lua, "Error when loading/compiling function", filename);
/* 2.Prepare function and arguments */
lua_getglobal(lua, funcname);
lua_pushstring(lua, arg);
/* 3.Do the call (1 arg, 1 result) */
if (lua_pcall(lua, 1, 1, 0) != 0)
bail(lua, "Error when calling function", funcname);
/* 4.Retrieve result */
char *ret = lua_tostring(lua, -1);
printf("Result: %s
", ret);
lua_pop(lua, 1);
lua_close(lua);
}3.深入理解Lua栈
3.1 关于栈的事实
首先看几条关于Lua栈的事实：
- Lua脚本与其他编程语言交换数据的唯一方式
- lua_state创建后就存在，独立于任何脚本或函数
- 栈中元素不能修改，只能被替换或移除
- 栈中元素可以是各种数据类型的
3.2 “讨厌”的栈顺序
Lua栈最让人困惑的就是栈操作函数中的下标参数，有的用正数有的用负数。Lua官方文档中解释说：lua_gettop()返回栈中元素个数，也就是栈顶元素的下标。负数下标negative_i = positive_i - (gettop() + 1)。这一点与Redis的List数据结构很像，例如当查看List中所有元素时，为了方便我们会用lrange lista 0 -1，而不会将-1写成真的去求一下末尾元素的下标。
下面看一段示例代码，加深一下理解：
static void stackDump(lua_State *L)
{
int i;
int top = lua_gettop(L);
printf("---- Begin Stack %i ----
", top);
for (i = 1; i <= top; i++) {
int t = lua_type(L, i);
int ni = i - (top + 1);
switch (t) {
case LUA_TSTRING: /* strings */
printf("%i -- (%i) ---- '%s'", i, ni, lua_tostring(L, i));
break;
case LUA_TBOOLEAN: /* booleans */
printf("%i -- (%i) ---- %s", i, ni, lua_toboolean(L, i) ? "true" : "false");
break;
case LUA_TNUMBER: /* numbers */
printf("%i -- (%i) ---- %g", i, ni, lua_tonumber(L, i));
break;
default: /* other values */
printf("%i -- (%i) ---- '%s'", i, ni, lua_typename(L, t));
break;
}
printf("
");
}
printf("---- End Stack ----
");
}
void test_lua_stack_order()
{
lua_State *L = lua_open();
lua_pushstring(L, "hi there");
lua_pushnumber(L, 17);
lua_pushboolean(L, 1);
lua_pushstring(L, "foobar");
stackDump(L);
/*
---- Begin Stack 4 ----
1 -- (-4) ---- 'hi there'
2 -- (-3) ---- 17
3 -- (-2) ---- true
4 -- (-1) ---- 'foobar'
---- End Stack ----
*/
lua_pushvalue(L, -4);
stackDump(L);
/*
---- Begin Stack 5 ----
1 -- (-5) ---- 'hi there'
2 -- (-4) ---- 17
3 -- (-3) ---- true
4 -- (-2) ---- 'foobar'
5 -- (-1) ---- 'hi there'
---- End Stack ----
*/
lua_replace(L, 3);
stackDump(L);
/*
---- Begin Stack 4 ----
1 -- (-4) ---- 'hi there'
2 -- (-3) ---- 17
3 -- (-2) ---- 'hi there'
4 -- (-1) ---- 'foobar'
---- End Stack ----
*/
lua_settop(L, 6);
stackDump(L);
/*
---- Begin Stack 6 ----
1 -- (-6) ---- 'hi there'
2 -- (-5) ---- 17
3 -- (-4) ---- 'hi there'
4 -- (-3) ---- 'foobar'
5 -- (-2) ---- 'nil'
6 -- (-1) ---- 'nil'
---- End Stack ----
*/
lua_remove(L, -3);
stackDump(L);
/*
---- Begin Stack 5 ----
1 -- (-5) ---- 'hi there'
2 -- (-4) ---- 17
3 -- (-3) ---- 'hi there'
4 -- (-2) ---- 'nil'
5 -- (-1) ---- 'nil'
---- End Stack ----
*/
lua_settop(L, -5);
stackDump(L);
/*
---- Begin Stack 1 ----
1 -- (-1) ---- 'hi there'
---- End Stack ----
*/
lua_close(L);
}注意栈操作函数中参数的意义：
- lua_pop(L, n)：参数指定的是弹出元素个数，想移除指定下标的元素要用lua_remove(L, x)。
- lua_pushvalue(L, x)：将指定下标x的元素拷贝到栈顶，而不是压入一个整数x。
- lua_replace(L, x)：移动栈顶元素到指定下标x。
3.3 栈与table
table在栈上的创建方式有些tricky。首先lua_newtable()会压入“table”到栈顶，然后依次压入key-value键值对，然后调用lua_settable()会使键值对被弹出，形成真正的table。此时，栈上又只剩字符串“table”了。数据跑哪里去了？此时要使用lua_next()函数对table进行遍历：
lua_newtable(L);
lua_pushnumber(L, 1);
lua_pushstring(L, "allen");
stackDump(L);
lua_settable(L, -3);
stackDump(L);
/*
---- Begin Stack 4 ----
1 -- (-4) ---- 'hi there'
2 -- (-3) ---- 'table'
3 -- (-2) ---- 1
4 -- (-1) ---- 'allen'
---- End Stack ----
---- Begin Stack 2 ----
1 -- (-2) ---- 'hi there'
2 -- (-1) ---- 'table'
---- End Stack ----
*/
lua_pushstring(L, "hank");
/* set table at index -2, table["2"]="hank" */
lua_setfield(L, -2, "2");
lua_pushstring(L, "carter");
/* set table at index -2, table[3]="carter" */
lua_rawseti(L, -2, 3);
/* Push nil as first key */
lua_pushnil(L);
/* Pops a key from the stack, and pushes a key–value pair from the table
at the given index (the "next" pair after the given key) */
while(lua_next(L, -2) != 0) {
/* uses 'key' (at index -2) and 'value' (at index -1) */
int t = lua_type(L, -2);
switch (t) {
case LUA_TSTRING:
printf("table['%s']='%s'
", lua_tostring(L, -2), lua_tostring(L, -1));
break;
case LUA_TNUMBER:
printf("table[%g]='%s'
", lua_tonumber(L, -2), lua_tostring(L, -1));
break;
}
/* removes 'value'; keeps 'key' for next iteration */
lua_pop(L, 1);
}答案就在lua_next()中。我们在栈顶放置了table和一个nil，然后调用lua_next()，并访问key和value后移除栈顶的value而保留key，这样就能依次迭代整个table。注意lua_settable()、lua_setfield()和lua_rawseti()三个函数的用法。
4.Redis中的Lua
终于到了本文的重点，模拟一下Redis是如何执行Lua脚本的，分为以下几步：
- 准备Lua环境：这一步很简单，就是创建Lua解释器和加载类库。
- 动态创建函数：Redis会将脚本中的代码包装成一个函数，并生成一个函数名。
- 加载编译函数：这一步与之前完全相同。
- 准备表对象：创建redis表对象，并将其与函数指针一起压到栈上。
- 执行函数：这一步与之前完全相同。
- 清理释放：这一步与之前完全相同。
核心部分的C示例代码：
/**
* Showcase of how to deal with return values
* @param cmd Lua command
*/
void execute_function_from_code(char *cmd)
{
// 1.Prepare Lua execution enviornment
lua_State *lua = lua_open();
luaL_openlibs(lua);
// 2.Create function dynamically
char funcdef[100], *funcname = "fun1";
memset(funcdef, 0, sizeof(funcdef));
strcat(funcdef, "function ");
strcat(funcdef, funcname);
strcat(funcdef, "() ");
strcat(funcdef, cmd);
strcat(funcdef, " end");
printf("Code: %s
", funcdef);
// 3.Compile code in buffer and push onto stack
if(luaL_loadbuffer(lua, funcdef, strlen(funcdef), "@user_script")
|| lua_pcall(lua, 0, 0, 0))
bail(lua, "Error when loading/compiling function", funcname);
// 4.Prepare function and global table 'redis'
lua_getglobal(lua, funcname);
lua_newtable(lua);
lua_pushstring(lua,"call");
lua_pushcfunction(lua, luaRedisCallCommand);
lua_settable(lua, -3);
lua_setglobal(lua, "redis");
// 5.Execute Lua function
if (lua_pcall(lua, 0, 0, -2))
bail(lua, "Error when calling function", funcname);
// 6.Cleanup
lua_close(lua);
}测试main函数和回调函数。main函数测试一下在Lua代码中执行redis.call(“set”, “foo”, “bar”)，而回调函数luaRedisCallCommand()则简单地打印一下入参：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <lua.h>
#include <lualib.h>
#include <lauxlib.h>
void execute_function_from_code(char *code);
int main(int argc, char const *argv[])
{
execute_function_from_code("redis.call("set", "foo", "bar")");
return 0;
}
int luaRedisCallCommand(lua_State *lua)
{
int i, argc = lua_gettop(lua);
for (i = 0; i < argc; i++) {
char *obj_s;
size_t obj_len;
obj_s = (char *)lua_tolstring(lua, i + 1, &obj_len);
printf("Argument[%d]=%s
", i, obj_s);
}
return 1;
}这里只是一个演示的小例子，详细介绍请参考《Redis设计与实现》。但Lua脚本这一章是免费Web版里没有的，得看实体书。真正的Redis代码流程要复杂得多，包括：
- 执行前：Lua环境里某些东西只初始化一次，准备KEYS和ARGV两个全局变量，设置超时控制hook。
- 执行后：定时Lua GC回收资源，用字典缓存已经执行过的Lua脚本。