Redis Lua 指令碼最佳化鎖定與訊號量

在高併發場景下，Redis 的鎖定和訊號量機制容易出現效能瓶頸。使用 Lua 指令碼可以將多個 Redis 命令封裝成一個原子操作，減少網路往返次數，從而顯著提升效能。本文將示範如何使用 Lua 指令碼重構鎖定和訊號量，並提供實際程式碼範例和效能測試結果。此外，我們也將探討如何利用 Lua 指令碼取代 WATCH/MULTI/EXEC 事務，以進一步最佳化程式碼並提升執行效率。

使用 Lua 重寫鎖定與訊號量

在前面的章節中，我們已經討論瞭如何使用 Redis 實作鎖定和訊號量，以減少 WATCH/MULTI/EXEC 交易中的競爭問題。現在，我們將探討如何使用 Lua 指令碼重寫鎖定和訊號量，以進一步提高效能。

為什麼要在 Lua 中實作鎖定？

在討論如何重寫鎖定之前，我們先來瞭解為什麼要在 Lua 中實作鎖定。主要原因有兩個：

1. 技術考量：當使用 EVAL 或 EVALSHA 執行 Lua 指令碼時，第一組引數是指令碼或雜湊值之後的鍵（key）。這主要是為了讓未來的 Redis 叢集伺服器能夠拒絕讀取或寫入不在特定分片上的鍵的指令碼。如果我們事先不知道哪些鍵將被讀取或寫入，我們就不應該使用 Lua，而應該使用 WATCH/MULTI/EXEC 或鎖定。

2. 資料操作需求：在某些情況下，操作 Redis 中的資料需要不在初始呼叫時可用的資料。例如，從 Redis 中取得某些 HASH 值，然後使用這些值從關係型資料函式庫中存取資訊，最後將結果寫回 Redis。在某些快取場景中，多次讀取要快取的資料可能會導致無法接受的額外負擔，甚至可能導致新資料被舊資料覆寫。

根據這兩個原因，我們來重寫鎖定以使用 Lua。

重寫鎖定

在第 6.2 節中，我們介紹了鎖定的實作，包括產生一個 ID、有條件地使用 SETNX 設定鍵，以及在成功時設定鍵的過期時間。雖然概念上很簡單，但我們必須處理失敗和重試，這導致了原始程式碼如下所示。

def acquire_lock_with_timeout(
    conn, lockname, acquire_timeout=10, lock_timeout=10):
    identifier = str(uuid.uuid4())
    lockname = 'lock:' + lockname
    lock_timeout = int(math.ceil(lock_timeout))
    
    end = time.time() + acquire_timeout
    while time.time() < end:
        if conn.setnx(lockname, identifier):
            conn.expire(lockname, lock_timeout)
            return identifier
        elif not conn.ttl(lockname):
            conn.expire(lockname, lock_timeout)
        time.sleep(.001)
    return False

程式碼解析：

1. acquire_lock_with_timeout 函式：此函式嘗試在指定的 acquire_timeout 時間內取得鎖定。它首先產生一個唯一的 identifier，然後進入迴圈嘗試使用 SETNX 設定鎖定鍵。

2. 鎖定機制：如果 SETNX 成功（傳回 1），表示取得鎖定成功，則設定鎖定的過期時間並傳回 identifier。如果鎖定已經存在但沒有設定過期時間，則設定過期時間。

3. Lua 指令碼最佳化：為了提高效能，我們可以將核心的鎖定邏輯移到 Lua 指令碼中。下面是一個使用 Lua 重寫的 acquire_lock_with_timeout 函式範例。

def acquire_lock_with_timeout(
    conn, lockname, acquire_timeout=10, lock_timeout=10):
    identifier = str(uuid.uuid4())
    lockname = 'lock:' + lockname
    lock_timeout = int(math.ceil(lock_timeout))
    
    # Lua 指令碼內容
    lua_script = """
    if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 then
        return redis.call('setex', KEYS[1], ARGV[2], ARGV[1])
    elseif redis.call('ttl', KEYS[1]) == -1 then
        redis.call('expire', KEYS[1], ARGV[2])
    end
    return 0
    """
    
    # 載入 Lua 指令碼
    script = conn.register_script(lua_script)
    
    end = time.time() + acquire_timeout
    while time.time() < end:
        if script(keys=[lockname], args=[identifier, lock_timeout]):
            return identifier
        time.sleep(.001)
    return False

內容解密：

• Lua 指令碼邏輯：首先檢查鎖定鍵是否存在。如果不存在，則使用 SETEX 設定鍵及其過期時間。如果鍵存在但沒有設定過期時間，則設定過期時間。指令碼傳回 1 表示成功，0 表示失敗。

• Python 程式邏輯：迴圈呼叫 Lua 指令碼嘗試取得鎖定。如果成功，則傳回 identifier；否則，繼續迴圈直到超時。

隨著 Redis 的不斷發展，未來可能會出現更多最佳化的鎖定和訊號量實作方式。開發者應持續關注 Redis 的更新和改進，以利用最新的功能和最佳實踐來最佳化自己的應用程式。

  graph LR;
    A[開始] --> B{檢查鎖定鍵是否存在};
    B -->|不存在| C[設定鎖定鍵和過期時間];
    B -->|存在| D{檢查是否設定過期時間};
    D -->|未設定| E[設定過期時間];
    D -->|已設定| F[傳回失敗];
    C --> G[傳回成功];

圖表翻譯： 此圖示展示了 Lua 指令碼中鎖定機制的邏輯流程。首先檢查鎖定鍵是否存在，如果不存在，則設定鎖定鍵及其過期時間。如果鍵存在，則檢查是否已設定過期時間，如果未設定，則設定過期時間。最終根據操作結果傳回成功或失敗。

使用Lua改寫鎖定與訊號機制

在前面的章節中，我們已經探討過如何使用Redis實作鎖定與訊號機制。然而，這些實作方式存在一些效能問題和複雜度。幸運的是，Redis提供了Lua指令碼功能，讓我們能夠將複雜的操作封裝在單一的原子操作中，從而提高效能和簡化程式碼。

使用Lua改寫鎖定機制

首先，我們來看看如何使用Lua改寫鎖定機制。原來的鎖定機制使用了WATCH、MULTI和EXEC命令來確保鎖定的原子性。然而，這種方法存在一些效能問題，因為它需要多次往返Redis伺服器。

acquire_lock_with_timeout_lua = script_load('''
if redis.call('exists', KEYS[1]) == 0 then
    return redis.call('setex', KEYS[1], unpack(ARGV))
end
''')

內容解密：

• redis.call('exists', KEYS[1])：檢查鎖定鍵是否存在。如果不存在，表示鎖定尚未被取得。
• redis.call('setex', KEYS[1], unpack(ARGV))：設定鎖定鍵的值，並設定過期時間。unpack(ARGV)用於將引數陣列展開為單獨的引數。

使用Lua改寫鎖定機制的Python程式碼如下：

def acquire_lock(conn, lockname, acquire_timeout=10, lock_timeout=10):
    identifier = str(uuid.uuid4())
    end = time.time() + acquire_timeout
    acquired = False
    while time.time() < end and not acquired:
        acquired = acquire_lock_with_timeout_lua(conn, ['lock:' + lockname], [lock_timeout, identifier]) == 'OK'
        time.sleep(.001 * (not acquired))
    return acquired and identifier

def release_lock(conn, lockname, identifier):
    lockname = 'lock:' + lockname
    return release_lock_lua(conn, [lockname], [identifier])

release_lock_lua = script_load('''
if redis.call('get', KEYS[1]) == ARGV[1] then
    return redis.call('del', KEYS[1]) or true
end
''')

內容解密：

• acquire_lock_with_timeout_lua：呼叫Lua指令碼取得鎖定。如果鎖定鍵不存在，則設定鎖定鍵並傳回OK。
• release_lock_lua：呼叫Lua指令碼釋放鎖定。如果鎖定鍵的值與提供的識別碼相符，則刪除鎖定鍵。

效能比較

為了評估使用Lua改寫鎖定機制的效能改進，我們進行了一系列的基準測試。測試結果如下表所示：

從測試結果可以看出，使用Lua改寫鎖定機制後，鎖定的取得和釋放次數明顯增加，尤其是在多客戶端的情況下。這是因為Lua指令碼減少了往返Redis伺服器的次數，從而提高了效能。

使用Lua改寫訊號機制

接下來，我們來看看如何使用Lua改寫訊號機制。原來的訊號機制使用了排序集（Sorted Set）來儲存訊號的持有者，並使用鎖定來確保操作的原子性。

acquire_semaphore_lua = script_load('''
redis.call('zremrangebyscore', KEYS[1], '-inf', ARGV[1])
if redis.call('zcard', KEYS[1]) < tonumber(ARGV[2]) then
    redis.call('zadd', KEYS[1], ARGV[3], ARGV[4])
    return ARGV[4]
end
''')

內容解密：

• redis.call('zremrangebyscore', KEYS[1], '-inf', ARGV[1])：移除過期的訊號持有者。
• redis.call('zcard', KEYS[1])：取得目前的訊號持有者數量。
• redis.call('zadd', KEYS[1], ARGV[3], ARGV[4])：將新的訊號持有者新增到排序集中。

使用Lua改寫訊號機制的Python程式碼如下：

def acquire_semaphore(conn, semname, limit, timeout=10):
    now = time.time()
    return acquire_semaphore_lua(conn, [semname], [now-timeout, limit, now, str(uuid.uuid4())])

def refresh_semaphore(conn, semname, identifier):
    return refresh_semaphore_lua(conn, [semname], [identifier, time.time()]) != None

refresh_semaphore_lua = script_load('''
if redis.call('zscore', KEYS[1], ARGV[1]) then
    return redis.call('zadd', KEYS[1], ARGV[2], ARGV[1]) or true
end
''')

內容解密：

• acquire_semaphore_lua：呼叫Lua指令碼取得訊號。如果訊號持有者數量未達到限制，則新增新的持有者並傳回識別碼。
• refresh_semaphore_lua：呼叫Lua指令碼重新整理訊號。如果識別碼仍然有效，則更新持有者的時間戳。

未來研究方向

1. 更複雜的同步機制：研究如何使用Lua指令碼實作更複雜的同步機制，例如分散式鎖定、訊號量等。
2. 效能最佳化：繼續最佳化Lua版本的鎖定和訊號機制，以進一步提高效能。
3. 安全性考量：研究如何確保Lua指令碼的安全性，避免潛在的安全風險。

結語

使用Lua改寫Redis的鎖定和訊號機制是一種有效的方法，可以提高效能和簡化程式碼。未來，我們將繼續探索更多使用Lua指令碼的最佳實踐，以進一步最佳化我們的Redis應用。

  graph LR;
    A[開始] --> B{檢查鎖定鍵是否存在};
    B -->|存在| C[傳回失敗];
    B -->|不存在| D[設定鎖定鍵];
    D --> E[傳回成功];

圖表翻譯： 此圖示描述了使用Lua改寫鎖定機制的流程。首先，檢查鎖定鍵是否存在。如果存在，表示鎖定已被取得，傳回失敗。如果不存在，則設定鎖定鍵並傳回成功。

  graph LR;
    A[開始] --> B{檢查訊號持有者數量};
    B -->|未達到限制| C[新增新的持有者];
    B -->|已達到限制| D[傳回失敗];
    C --> E[傳回成功];

圖表翻譯： 此圖示描述了使用Lua改寫訊號機制的流程。首先，檢查目前的訊號持有者數量。如果未達到限制，則新增新的持有者並傳回成功。如果已達到限制，則傳回失敗。

使用Lua指令碼改進Redis效能：移除WATCH/MULTI/EXEC的實踐

在前面的章節中，我們已經使用Lua指令碼重寫了鎖和訊號量，從而實作了一個完全公平且效能更好的同步機制。現在，讓我們進一步探討如何利用Lua指令碼來移除WATCH/MULTI/EXEC事務和鎖，以提升程式的效能。

移除WATCH/MULTI/EXEC事務

在之前的章節中，我們使用WATCH、MULTI和EXEC的組合來實作Redis中的事務處理。通常，當寫入操作較少且競爭不激烈時，這種事務處理方式能夠順利完成。然而，在競爭激烈或網路延遲較高的情況下，使用者端可能需要進行多次重試才能完成操作。

重溫自動補全範例

在第6章中，我們介紹了一個使用ZSET儲存使用者名稱以實作自動補全功能的範例。該範例首先計算出一個字串範圍，然後將資料插入到ZSET中，並使用WATCH監控該ZSET是否有其他使用者進行類別似的操作。接著，它會在MULTI/EXEC對中擷取兩個端點之間的10個專案並移除它們。

def autocomplete_on_prefix(conn, guild, prefix):
    start, end = find_prefix_range(prefix)
    identifier = str(uuid.uuid4())
    start += identifier
    end += identifier
    zset_name = 'members:' + guild
    conn.zadd(zset_name, start, 0, end, 0)
    pipeline = conn.pipeline(True)
    while 1:
        try:
            pipeline.watch(zset_name)
            sindex = pipeline.zrank(zset_name, start)
            eindex = pipeline.zrank(zset_name, end)
            erange = min(sindex + 9, eindex - 2)
            pipeline.multi()
            pipeline.zrem(zset_name, start, end)
            pipeline.zrange(zset_name, sindex, erange)
            items = pipeline.execute()[-1]
            break
        except redis.exceptions.WatchError:
            continue
    return [item for item in items if '{' not in item]

使用Lua指令碼最佳化自動補全功能

如果我們將核心功能轉移到Lua指令碼中，就可以消除重試程式碼並提高效能。下面是最佳化後的程式碼：

def autocomplete_on_prefix(conn, guild, prefix):
    start, end = find_prefix_range(prefix)
    identifier = str(uuid.uuid4())
    items = autocomplete_on_prefix_lua(conn,
        ['members:' + guild],
        [start+identifier, end+identifier])
    return [item for item in items if '{' not in item]

autocomplete_on_prefix_lua = script_load('''
redis.call('zadd', KEYS[1], 0, ARGV[1], 0, ARGV[2])
local sindex = redis.call('zrank', KEYS[1], ARGV[1])
local eindex = redis.call('zrank', KEYS[1], ARGV[2])
eindex = math.min(sindex + 9, eindex - 2)
redis.call('zrem', KEYS[1], unpack(ARGV))
return redis.call('zrange', KEYS[1], sindex, eindex)
''')

效能比較

透過對比最佳化前後的程式碼，我們發現使用Lua指令碼後，程式碼變得更簡潔，並且執行速度更快。我們進行了基準測試，比較了在不同平行請求下，原版和Lua指令碼版本的自動補全功能的效能。

#### 內容解密：

• 將自動補全的核心邏輯轉移到Lua指令碼中，可以減少網路往返次數，從而提高效能。
• Lua指令碼版本的自動補全功能在高平行請求下表現更佳，因為它減少了客戶端的重試次數。
• 使用Lua指令碼可以簡化程式碼，提高可讀性和可維護性。

圖表翻譯：

下圖展示了原版和Lua指令碼版本在不同平行請求下的效能比較。

  graph LR
    A[平行請求數] --> B[原版成功次數]
    A --> C[Lua指令碼成功次數]
    B --> D[效能比較]
    C --> D

圖表翻譯： 此圖示展示了在不同平行請求下，原版和Lua指令碼版本的自動補全功能的成功次數對比。可以看出，Lua指令碼版本在高平行請求下具有明顯的效能優勢。

• 繼續最佳化其他使用WATCH/MULTI/EXEC的場景，轉而使用Lua指令碼。
• 探索更多Redis Lua指令碼的最佳實踐，以進一步提升系統效能。
• 對比不同版本Redis對Lua指令碼的支援差異，確保相容性。