Lua限流脚本缓存保护 - 第2节

2.1 Redis 核心数据结构速览

在编写限流脚本之前，必须熟练掌握 Redis 的五种基本数据结构。限流场景中，String 用于计数器，Sorted Set 用于滑动窗口，List 用于令牌桶队列，Hash 用于存储配置参数，Set 用于去重标记。

数据结构 底层实现 限流典型用途 常用命令
String SDS（动态字符串） 固定窗口计数器、令牌数 INCR、EXPIRE、GETSET
Sorted Set 跳表 + 哈希表 滑动窗口时间戳集合 ZADD、ZREMRANGEBYSCORE、ZCARD
List 双向链表 / quicklist 令牌桶队列、请求缓冲 LPUSH、RPOP、LLEN
Hash 压缩列表 / 哈希表 存储限流规则、用户配置 HSET、HGET、HINCRBY
Set 整数集合 / 哈希表 黑名单、已处理 ID 去重 SADD、SISMEMBER、SCARD
选型建议： 滑动窗口限流优先使用 Sorted Set + ZREMRANGEBYSCORE 清理过期时间戳；固定窗口限流使用 String + INCR + EXPIRE 即可，性能最高。

2.2 Lua 脚本在 Redis 中的执行原理

Redis 从 2.6 版本开始内嵌 Lua 5.1 解释器。Lua 脚本在 Redis 中具有原子性、事务性和可复用性三大特性，是构建高性能限流组件的基石。

2.2.1 执行流程

  1. 客户端发送 EVAL 命令，携带脚本源码和参数。
  2. Redis 服务器在 Lua 沙箱中加载脚本，注册 redis.call() / redis.pcall() 函数。
  3. 脚本执行期间，Redis 进程阻塞，不响应其他命令，保证原子性。
  4. 脚本返回结果，Redis 将结果返回给客户端。
关键特性： 脚本执行期间不会插入其他命令，因此无需 MULTI/EXEC 事务包装；但脚本应尽量短小，避免长时间阻塞。

2.2.2 沙箱与安全限制

  • 禁止使用 loadfile、dofile、require 等文件操作函数。
  • 禁止使用 os.execute、io.* 等系统调用。
  • 全局变量 KEYS 和 ARGV 由 Redis 注入，分别对应键名参数和附加参数。
  • 脚本默认超时时间为 5 秒（可通过 lua-time-limit 配置），超时后 Redis 会强制终止脚本。
避坑： 不要在脚本中使用 math.random 生成随机数，Redis 沙箱未初始化种子，每次返回相同序列。应使用 redis.random() 或传入外部随机参数。

2.3 EVAL 命令详解

EVAL 是 Redis 执行 Lua 脚本的核心命令，其语法如下：

EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...]
参数 说明 示例
script Lua 脚本源码字符串 "return redis.call('GET', KEYS[1])"
numkeys 键名参数的数量 1
key 键名列表，通过 KEYS[1] 访问 counter:user:123
arg 附加参数列表，通过 ARGV[1] 访问 100

2.3.1 基本示例

-- 原子递增并设置过期时间
local key = KEYS[1]
local ttl = tonumber(ARGV[1])
local count = redis.call('INCR', key)
if count == 1 then
    redis.call('EXPIRE', key, ttl)
end
return count

调用方式：

EVAL "local key = KEYS[1]; local ttl = tonumber(ARGV[1]); local count = redis.call('INCR', key); if count == 1 then redis.call('EXPIRE', key, ttl) end; return count" 1 counter:user:123 60

2.3.2 EVALSHA 与脚本缓存

Redis 会对 EVAL 提交的脚本计算 SHA1 摘要并缓存。后续可使用 EVALSHA 直接通过摘要执行，避免重复传输脚本源码：

EVALSHA <sha1> numkeys key [key ...] arg [arg ...]

脚本缓存是永久性的，直到 Redis 重启或执行 SCRIPT FLUSH。生产环境建议使用 SCRIPT LOAD 预加载脚本，再通过 EVALSHA 调用。

最佳实践： 客户端库（如 Jedis、Lettuce）通常自动管理 EVALSHA 回退逻辑：优先使用 EVALSHA，若返回 NOSCRIPT 错误，自动降级为 EVAL 并重新缓存。

2.4 Lua 脚本与 Redis 数据结构的交互

以下 SVG 展示了 Lua 脚本通过 redis.call() 操作五种数据结构的完整路径：

Lua 脚本与 Redis 数据结构交互图 Lua 脚本 redis.call() String Sorted Set List Hash Set 返回值：String 返回整数/字符串；Sorted Set 返回数组；List 返回数组；Hash 返回字符串或 nil；Set 返回 0/1

2.4.1 返回值类型映射

Redis 返回类型 Lua 类型 示例
整数回复 number redis.call('INCR', 'x') → 1
字符串回复 string redis.call('GET', 'x') → "value"
多行字符串回复 table (数组) redis.call('LRANGE', 'list', 0, -1) → {"a","b"}
状态回复 table {ok="OK"} redis.call('SET', 'x', '1') → {ok="OK"}
错误回复 table {err="..."} redis.call('GET', 1) → {err="WRONGTYPE ..."}
空结果 boolean false redis.call('GET', 'nonexist') → false
注意： Lua 中 false 和空数组 {} 在返回给 Redis 客户端时会被转换为空回复。如果需要区分“不存在”和“空列表”，建议在脚本中显式返回 nil 或特定标记。

2.5 脚本原子性与事务对比

下表对比了 Lua 脚本与 Redis 原生事务（MULTI/EXEC）的核心差异：

特性 Lua 脚本 MULTI/EXEC 事务
原子性 整个脚本原子执行 队列中所有命令原子执行
条件逻辑 支持 if/else、循环、函数 不支持，所有命令预入队
中间结果读取 可读取前一步操作的结果 不可读，所有命令在 EXEC 后返回
错误处理 pcall 可捕获错误继续执行 任一命令失败，事务整体回滚
性能 一次网络往返，脚本缓存后更优 一次网络往返，但命令需排队
适用场景 复杂限流算法、条件判断 简单批量写入、无依赖操作
结论： 限流脚本必须使用 Lua 而非事务，因为限流逻辑依赖前一步的计数结果（如判断是否超过阈值），事务无法满足此需求。

2.6 实战：编写第一个限流脚本骨架

以下脚本实现了固定窗口限流的核心逻辑，后续章节将在此基础上扩展：

-- fixed_window_ratelimit.lua
-- KEYS[1]: 限流计数器 key
-- ARGV[1]: 窗口大小（秒）
-- ARGV[2]: 最大请求数
-- ARGV[3]: 当前请求时间戳（可选，用于测试）

local key = KEYS[1]
local window = tonumber(ARGV[1])
local max_requests = tonumber(ARGV[2])
local now = tonumber(ARGV[3] or redis.call('TIME')[1])

-- 获取当前计数
local current = redis.call('GET', key)
if not current then
    -- 首次请求，初始化计数器
    redis.call('SET', key, 1, 'EX', window)
    return 1
end

current = tonumber(current)
if current >= max_requests then
    -- 超过限流阈值，返回 0 表示拒绝
    return 0
end

-- 未超限，递增计数器
redis.call('INCR', key)
return current + 1
测试方法： 使用 redis-cli --eval fixed_window_ratelimit.lua counter:api, 10 5 模拟 10 秒窗口内最多 5 次请求。连续执行 6 次，第 6 次应返回 0。
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