Redis结合Lua脚本实现高并发原子性操作

从 2.6版本 起, Redis 开始支持 Lua 脚本 让开发者自己扩展 Redis …

案例-实现访问频率限制: 实现访问者 $ip 在一定的时间 $time 内只能访问 $limit 次.

• 非脚本实现

private boolean accessLimit(String ip, int limit, int time, Jedis jedis) {
    boolean result = true;

    String key = "rate.limit:" + ip;
    if (jedis.exists(key)) {
        long afterValue = jedis.incr(key);
        if (afterValue > limit) {
            result = false;
        }
    } else {
        Transaction transaction = jedis.multi();
        transaction.incr(key);
        transaction.expire(key, time);
        transaction.exec();
    }
    return result;
}

• 以上代码有两点缺陷 
  1. 可能会出现竞态条件: 解决方法是用 WATCH 监控 rate.limit:$IP 的变动, 但较为麻烦;
  2. 以上代码在不使用 pipeline 的情况下最多需要向Redis请求5条指令, 传输过多.

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• Lua脚本实现 
  Redis 允许将 Lua 脚本传到 Redis 服务器中执行, 脚本内可以调用大部分 Redis 命令, 且 Redis 保证脚本的原子性:

  • 首先需要准备Lua代码: script.lua

--
-- Created by IntelliJ IDEA.
-- User: jifang
-- Date: 16/8/24
-- Time: 下午6:11
--

local key = "rate.limit:" .. KEYS[1]
local limit = tonumber(ARGV[1])
local expire_time = ARGV[2]

local is_exists = redis.call("EXISTS", key)
if is_exists == 1 then
    if redis.call("INCR", key) > limit then
        return 0
    else
        return 1
    end
else
    redis.call("SET", key, 1)
    redis.call("EXPIRE", key, expire_time)
    return 1
end

• Java

private boolean accessLimit(String ip, int limit, int timeout, Jedis connection) throws IOException {
    List<String> keys = Collections.singletonList(ip);
    List<String> argv = Arrays.asList(String.valueOf(limit), String.valueOf(timeout));

    return 1 == (long) connection.eval(loadScriptString("script.lua"), keys, argv);
}

// 加载Lua代码
private String loadScriptString(String fileName) throws IOException {
    Reader reader = new InputStreamReader(Client.class.getClassLoader().getResourceAsStream(fileName));
    return CharStreams.toString(reader);
}

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• Lua 嵌入 Redis 优势: 
  1. 减少网络开销: 不使用 Lua 的代码需要向 Redis 发送多次请求, 而脚本只需一次即可, 减少网络传输;
  2. 原子操作: Redis 将整个脚本作为一个原子执行, 无需担心并发, 也就无需事务;
  3. 复用: 脚本会永久保存 Redis 中, 其他客户端可继续使用.

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Lua模型

Lua是一种 便于嵌入应用程序 的脚本语言, 具备了作为通用脚本语言的所有功能. 其高速虚拟机实现非常有名(Lua的垃圾回收很有讲究- 增量垃圾回收 ), 在很多虚拟机系性能评分中都取得了优异的成绩. Home lua.org. 

以嵌入式为方针设计的Lua, 在默认状态下简洁得吓人. 除了基本的数据类型外, 其他一概没有. 标注库也就 Coroutine、String、Table、Math、 I/O、OS, 再加上Modules包加载而已. 参考: Lua 5.1 Reference Manual - Standard Libraries(中文版: Lua 5.1 参考手册).

注: 本文仅介绍 Lua 与众不同的设计模型(对比 Java/C/C++、JavaScript、Python 与 Go), 语言细节可参考文内和附录推荐的文章以及Lua之父Roberto Ierusalimschy的<Programming in Lua>(中文版: <LUA程序设计(第2版)>)

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Base

1. 数据类型

• 作为通用脚本语言, Lua的数据类型如下:
  • 数值型: 
    全部为浮点数型, 没有整型; 
    只有 nil 和 false 作为布尔值的 false , 数字 0 和空串（‘’/‘\0’）都是 true;
  • 字符串
  • 用户自定义类型
  • 函数(function)
  • 表(table)

变量如果没有特殊说明为全局变量(那怕是语句块 or 函数内), 局部变量前需加local关键字.

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2. 关键字

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3. 操作符

• Tips:
  • 数学操作符的操作数如果是字符串会自动转换成数字;
  • 连接 .. 自动将数值转换成字符串;
  • 比较操作符的结果一定是布尔类型, 且会严格判断数据类型('1' != 1);

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函数(function)

在 Lua 中, 函数是和字符串、数值和表并列的基本数据结构, 属于第一类对象( first-class-object /一等公民), 可以和数值等其他类型一样赋给变量、作为参数传递, 以及作为返回值接收(闭包):

• 使用方式类似JavaScript:

-- 全局函数: 求阶乘
function fact(n)
    if n == 1 then
        return 1
    else
        return n * fact(n - 1)
    end
end

-- 1. 赋给变量
local func = fact
print("func type: " .. type(func), "fact type: " .. type(fact), "result: " .. func(4))

-- 2. 闭包
local function new_counter()
    local value = 0;
    return function()
        value = value + 1
        return value
    end
end

local counter = new_counter()
print(counter(), counter(), counter())

-- 3. 返回值类似Go/Python
local random_func = function(param)
    return 9, 'a', true, "ƒ∂π", param
end

local var1, var2, var3, var4, var5 = random_func("no param is nil")
print(var1, var2, var3, var4, var5)

-- 4. 变数形参
local function square(...)
    local argv = { ... }
    for i = 1, #argv do
        argv[i] = argv[i] * argv[i]
    end
    return table.unpack(argv)
end

print(square(1, 2, 3))

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表(table)

Lua最具特色的数据类型就是表(Table), 可以实现数组、Hash、对象所有功能的万能数据类型:

-- array
local array = { 1, 2, 3 }
print(array[1], #array)

-- hash
local hash = { x = 1, y = 2, z = 3 }
print(hash.x, hash['y'], hash["z"], #hash)

-- array & hash
array['x'] = 8
print(array.x, #array)

• Tips:
  • 数组索引从1开始;
  • 获取数组长度操作符#其’长度’只包括以(正)整数为索引的数组元素.
  • Lua用表管理全局变量, 将其放入一个叫_G的table内:

-- pairs会遍历所有值不为nil的索引, 与此类似的ipairs只会从索引1开始递遍历到最后一个值不为nil的整数索引.
for k, v in pairs(_G) do
    print(k, " -> ", v, " type: " .. type(v))
end

用Hash实现对象的还有JavaScript, 将数组和Hash合二为一的还有PHP.

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元表

Every value in Lua can have a metatable/元表. This metatable is an ordinary Lua table that defines the behavior of the original value under certain special operations. You can change several aspects of the behavior of operations over a value by setting specific fields in its metatable. For instance, when a non-numeric value is the operand of an addition, Lua checks for a function in the field “__add” of the value’s metatable. If it finds one, Lua calls this function to perform the addition. 
The key for each event in a metatable is a string with the event name prefixed by two underscores__; the corresponding values are called metamethods. In the previous example, the key is “__add” and the metamethod is the function that performs the addition.

metatable中的键名称为事件/event, 值称为元方法/metamethod, 我们可通过getmetatable()来获取任一值的metatable, 也可通过setmetatable()来替换table的metatable. Lua 事件一览表: 
 
对于这些操作, Lua 都将其关联到 metatable 的事件Key, 当 Lua 需要对一个值发起这些操作时, 首先会去检查其metatable中是否有对应的事件Key, 如果有则调用之以控制Lua解释器作出响应.

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MetaMethods

MetaMethods主要用作一些类似C++中的运算符重载操作, 如重载+运算符:

local frac_a = { numerator = 2, denominator = 3 }
local frac_b = { numerator = 4, denominator = 8 }

local operator = {
    __add = function(f1, f2)
        local ret = {}
        ret.numerator = f1.numerator * f2.denominator + f1.denominator * f2.numerator
        ret.denominator = f1.denominator * f2.denominator
        return ret
    end,

    __tostring = function(self)
        return "{ " .. self.numerator .. " ," .. self.denominator .. " }"
    end
}

setmetatable(frac_a, operator)
setmetatable(frac_b, operator)

local frac_res = frac_a + frac_b
setmetatable(frac_res, operator) -- 使tostring()方法生效
print(tostring(frac_res))

关于更多Lua事件处理可参考文档: Metamethods.

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MetaTables 与 面向对象

Lua本来就不是设计为一种面向对象语言, 因此其面向对象功能需要通过元表(metatable)这种非常怪异的方式实现, Lua并不直接支持面向对象语言中常见的类、对象和方法: 其对象和类通过表实现, 而方法是通过函数来实现.

上面的Event一览表内我们看到有__index这个事件重载,这个东西主要是重载了find key操作, 该操作可以让Lua变得有点面向对象的感觉(类似JavaScript中的prototype). 通过Lua代码模拟:

local function gettable_event(t, key)
    local h
    if type(t) == "table" then
        local value = rawget(t, key)
        if value ~= nil then
            return value
        end

        h = getmetatable(t).__index
        if h == nil then
            return nil
        end
    else
        h = getmetatable(t).__index
        if h == nil then
            error("error")
        end
    end

    if type(h) == "function" then
        -- call the handler
        return (h(t, key))
    else
        -- or repeat opration on it
        return h[key]
    end
end

-- 测试
obj = { 1, 2, 3 }
op = {
    x = function()
        return "xx"
    end
}

setmetatable(obj, { __index = op['x'] })
print(gettable_event(obj, x))

• 对于任何事件, Lua的处理都可以归结为以下逻辑: 
  1. 如果存在规定的操作则执行它;
  2. 否则从元表中取出各事件对应的__开头的元素, 如果该元素为函数, 则调用;
  3. 如果该元素不为函数, 则用该元素代替table来执行事件所对应的处理逻辑.

这里的代码仅作模拟, 实际的行为已经嵌入Lua解释器, 执行效率要远高于这些模拟代码.

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方法调用的实现

面向对象的基础是创建对象和调用方法. Lua中, 表作为对象使用, 因此创建对象没有问题, 关于调用方法, 如果表元素为函数的话, 则可直接调用:

-- 从obj取键为x的值, 将之视为function进行调用
obj.x(foo)

不过这种实现方法调用的方式, 从面向对象角度来说还有2个问题:

• 首先: obj.x这种调用方式, 只是将表obj的属性x这个函数对象取出而已, 而在大多数面向对象语言中, 方法的实体位于类中, 而非单独的对象中. 在JavaScript等基于原型的语言中, 是以原型对象来代替类进行方法的搜索, 因此每个单独的对象也并不拥有方法实体. 在Lua中, 为了实现基于原型的方法搜索, 需要使用元表的__index事件: 
  如果我们有两个对象a和b,想让b作为a的prototype需要setmetatable(a, {__index = b}), 如下例: 为obj设置__index加上proto模板来创建另一个实例:

proto = {
    x = function()
        print("x")
    end
}

local obj = {}
setmetatable(obj, { __index = proto })
obj.x()

proto变成了原型对象, 当obj中不存在的属性被引用时, 就会去搜索proto.

• 其次: 通过方法搜索得到的函数对象只是单纯的函数, 而无法获得最初调用方法的表(接收器)相关信息. 于是, 过程和数据就发生了分离.JavaScript中, 关于接收器的信息可由关键字this获得, 而在Python中通过方法调用形式获得的并非单纯的函数对象, 而是一个“方法对象” –其接收器会在内部作为第一参数附在函数的调用过程中. 
  而Lua准备了支持方法调用的语法糖:obj:x(). 表示obj.x(obj), 也就是: 通过冒号记法调用的函数, 其接收器会被作为第一参数添加进来(obj的求值只会进行一次, 即使有副作用也只生效一次).

-- 这个语法糖对定义也有效
function proto:y(param)
    print(self, param)
end

- Tips: 用冒号记法定义的方法, 调用时最好也用冒号记法, 避免参数错乱
obj:y("parameter")

更多MetaTable介绍可参考文档Metatable与博客metatable和metamethod.

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基于原型的编程

Lua虽然能够进行面向对象编程, 但用元表来实现, 仿佛把对象剖开看到五脏六腑一样.

<代码的未来>中松本行弘老师向我们展示了一个基于原型编程的Lua库, 通过该库, 即使没有深入解Lua原始机制, 也可以实现面向对象:

--
-- Author: Matz
-- Date: 16/9/24
-- Time: 下午5:13
--

-- Object为所有对象的上级
Object = {}

-- 创建现有对象副本
function Object:clone()
    local object = {}

    -- 复制表元素
    for k, v in pairs(self) do
        object[k] = v
    end

    -- 设定元表: 指定向自身`转发`
    setmetatable(object, { __index = self })

    return object
end

-- 基于类的编程
function Object:new(...)
    local object = {}

    -- 设定元表: 指定向自身`转发`
    setmetatable(object, { __index = self })

    -- 初始化
    object:init(...)

    return object
end

-- 初始化实例
function Object:init(...)
    -- 默认不进行任何操作
end

Class = Object:new()

另存为prototype.lua, 使用时只需require()引入即可:

require("prototype")

-- Point类定义
Point = Class:new()
function Point:init(x, y)
    self.x = x
    self.y = y
end

function Point:magnitude()
    return math.sqrt(self.x ^ 2 + self.y ^ 2)
end

-- 对象定义
point = Point:new(3, 4)
print(point:magnitude())

-- 继承: Point3D定义
Point3D = Point:clone()
function Point3D:init(x, y, z)
    self.x = x
    self.y = y
    self.z = z
end

function Point3D:magnitude()
    return math.sqrt(self.x ^ 2 + self.y ^ 2 + self.z ^ 2)
end

p3 = Point3D:new(1, 2, 3)
print(p3:magnitude())

-- 创建p3副本
ap3 = p3:clone()
print(ap3.x, ap3.y, ap3.z)

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Redis - Lua

在传入到Redis的Lua脚本中可使用redis.call()/redis.pcall()函数调用Reids命令:

redis.call("set", "foo", "bar")
local value = redis.call("get", "foo")

redis.call()返回值就是Reids命令的执行结果, Redis回复与Lua数据类型的对应关系如下:

Reids返回值类型	Lua数据类型
整数	数值
字符串	字符串
多行字符串	表(数组)
状态回复	表(只有一个ok字段存储状态信息)
错误回复	表(只有一个err字段存储错误信息)

注: Lua 的 false 会转化为空结果.

redis-cli提供了EVAL与EVALSHA命令执行Lua脚本:

• EVAL 
  EVAL script numkeys key [key ...] arg [arg ...] 
  key和arg两类参数用于向脚本传递数据, 他们的值可在脚本中使用KEYS和ARGV两个table访问: KEYS表示要操作的键名, ARGV表示非键名参数(并非强制).
• EVALSHA 
  EVALSHA命令允许通过脚本的SHA1来执行(节省带宽), Redis在执行EVAL/SCRIPT LOAD后会计算脚本SHA1缓存, EVALSHA根据SHA1取出缓存脚本执行.

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创建Lua环境

为了在 Redis 服务器中执行 Lua 脚本, Redis 内嵌了一个 Lua 环境, 并对该环境进行了一系列修改, 从而确保满足 Redis 的需要. 其创建步骤如下:

• 创建基础 Lua 环境, 之后所有的修改都基于该环境进行;
• 载入函数库到 Lua 环境, 使 Lua 脚本可以使用这些函数库进行数据操作: 如基础库(删除了loadfile()函数)、Table、String、Math、Debug等标准库, 以及CJSON、 Struct(用于Lua值与C结构体转换)、 cmsgpack等扩展库(Redis 禁用Lua标准库中与文件或系统调用相关函数, 只允许对 Redis 数据处理).
• 创建全局表redis, 其包含了对 Redis 操作的函数, 如redis.call()、 redis.pcall() 等;
• 替换随机函数: 为了确保相同脚本可在不同机器上产生相同结果, Redis 要求所有传入服务器的 Lua 脚本, 以及 Lua 环境中的所有函数, 都必须是无副作用的纯函数, 因此Redis使用自制函数替换了 Math 库中原有的 math.random()和 math.randomseed() .
• 创建辅助排序函数: 对于 Lua 脚本来说, 另一个可能产生数据不一致的地方是那些带有不确定性质的命令(如: 由于set集合无序, 因此即使两个集合内元素相同, 其输出结果也并不一样), 这类命令包括SINTER、SUNION、SDIFF、SMEMBERS、HKEYS、HVALS、KEYS 等. 
  Redis 会创建一个辅助排序函数__redis__compare_helper, 当执行完以上命令后, Redis会调用table.sort()以__redis__compare_helper作为辅助函数对命令返回值排序.
• 创建错误处理函数: Redis创建一个 __redis__err__handler 错误处理函数, 当调用 redis.pcall() 执行 Redis 命令出错时, 该函数将打印异常详细信息.
• Lua全局环境保护: 确保传入脚本内不会将额外的全局变量导入到 Lua 环境内. 
  

  小心: Redis 并未禁止用户修改已存在的全局变量.

• 完成Redis的lua属性与Lua环境的关联: 
   
  整个 Redis 服务器只需创建一个 Lua 环境.

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Lua环境协作组件

• Redis创建两个用于与Lua环境协作的组件: 伪客户端- 负责执行 Lua 脚本中的 Redis 命令, lua_scripts字典- 保存 Lua 脚本:

  • 伪客户端 
    执行Reids命令必须有对应的客户端状态, 因此执行 Lua 脚本内的 Redis 命令必须为 Lua 环境专门创建一个伪客户端, 由该客户端处理 Lua 内所有命令: redis.call()/redis.pcall()执行一个Redis命令步骤如下: 
    
  • lua_scripts字典 
    字典key为脚本 SHA1 校验和, value为 SHA1 对应脚本内容, 所有被EVAL和SCRIPT LOAD载入过的脚本都被记录到 lua_scripts 中, 便于实现 SCRIPT EXISTS 命令和脚本复制功能.

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EVAL命令原理

EVAL命令执行分为以下三个步骤:

1. 定义Lua函数: 
   在 Lua 环境内定义 Lua函数 : 名为f_前缀+脚本 SHA1 校验和, 体为脚本内容本身. 优势:

   • 执行脚本步骤简单, 调用函数即可;
   • 函数的局部性可保持 Lua 环境清洁, 减少垃圾回收工作量, 且避免使用全局变量;
   • 只要记住 SHA1 校验和, 即可在不知脚本内容的情况下, 直接调用 Lua 函数执行脚本(EVALSHA命令实现).

2. 将脚本保存到lua_scripts字典;

3. 执行脚本函数: 
   执行刚刚在定义的函数, 间接执行 Lua 脚本, 其准备和执行过程如下: 
   1). 将EVAL传入的键名和参数分别保存到KEYS和ARGV, 然后将这两个数组作为全局变量传入到Lua环境; 
   2). 为Lua环境装载超时处理hook(handler), 可在脚本出现运行超时时让通过SCRIPT KILL停止脚本, 或SHUTDOWN关闭Redis; 
   3). 执行脚本函数; 
   4). 移除超时hook; 
   5). 将执行结果保存到客户端输出缓冲区, 等待将结果返回客户端; 
   6). 对Lua环境执行垃圾回收.

对于会产生随机结果但无法排序的命令(如只产生一个元素, 如 SPOP、SRANDMEMBER、RANDOMKEY、TIME), Redis在这类命令执行后将脚本状态置为lua_random_dirty, 此后只允许脚本调用只读命令, 不允许修改数据库值.

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实践

使用Lua脚本重新构建带有过期时间的分布式锁.

案例来源: <Redis实战> 第6、11章, 构建步骤:

• 锁申请
  • 首先尝试加锁:
    • 成功则为锁设定过期时间; 返回;
    • 失败检测锁是否添加了过期时间;
  • wait.
• 锁释放 
  • 检查当前线程是否真的持有了该锁:
    • 持有: 则释放; 返回成功;
    • 失败: 返回失败.

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非Lua实现

String acquireLockWithTimeOut(Jedis connection, String lockName, long acquireTimeOut, int lockTimeOut) {
    String identifier = UUID.randomUUID().toString();
    String key = "lock:" + lockName;

    long acquireTimeEnd = System.currentTimeMillis() + acquireTimeOut;
    while (System.currentTimeMillis() < acquireTimeEnd) {
        // 获取锁并设置过期时间
        if (connection.setnx(key, identifier) != 0) {
            connection.expire(key, lockTimeOut);
            return identifier;
        }
        // 检查过期时间, 并在必要时对其更新
        else if (connection.ttl(key) == -1) {
            connection.expire(key, lockTimeOut);
        }

        try {
            Thread.sleep(10);
        } catch (InterruptedException ignored) {
        }
    }
    return null;
}

boolean releaseLock(Jedis connection, String lockName, String identifier) {
    String key = "lock:" + lockName;

    connection.watch(key);
    // 确保当前线程还持有锁
    if (identifier.equals(connection.get(key))) {
        Transaction transaction = connection.multi();
        transaction.del(key);
        return transaction.exec().isEmpty();
    }
    connection.unwatch();

    return false;
}

---

Lua脚本实现

• Lua脚本: acquire

local key = KEYS[1]
local identifier = ARGV[1]
local lockTimeOut = ARGV[2]

-- 锁定成功
if redis.call("SETNX", key, identifier) == 1 then
    redis.call("EXPIRE", key, lockTimeOut)
    return 1
elseif redis.call("TTL", key) == -1 then
    redis.call("EXPIRE", key, lockTimeOut)
end
return 0

• Lua脚本: release

local key = KEYS[1]
local identifier = ARGV[1]

if redis.call("GET", key) == identifier then
    redis.call("DEL", key)
    return 1
end
return 0

• Pre工具: 脚本执行器

/**
 * @author jifang
 * @since 16/8/25 下午3:35.
 */
public class ScriptCaller {

    private static final ConcurrentMap<String, String> SHA_CACHE = new ConcurrentHashMap<>();

    private String script;

    private ScriptCaller(String script) {
        this.script = script;
    }

    public static ScriptCaller getInstance(String script) {
        return new ScriptCaller(script);
    }

    public Object call(Jedis connection, List<String> keys, List<String> argv, boolean forceEval) {
        if (!forceEval) {
            String sha = SHA_CACHE.get(this.script);
            if (Strings.isNullOrEmpty(sha)) {
                // load 脚本得到 sha1 缓存
                sha = connection.scriptLoad(this.script);
                SHA_CACHE.put(this.script, sha);
            }

            return connection.evalsha(sha, keys, argv);
        }

        return connection.eval(script, keys, argv);
    }
}

• Client

public class Client {

    private ScriptCaller acquireCaller = ScriptCaller.getInstance(
            "local key = KEYS[1]\n" +
            "local identifier = ARGV[1]\n" +
            "local lockTimeOut = ARGV[2]\n" +
            "\n" +
            "if redis.call(\"SETNX\", key, identifier) == 1 then\n" +
            "    redis.call(\"EXPIRE\", key, lockTimeOut)\n" +
            "    return 1\n" +
            "elseif redis.call(\"TTL\", key) == -1 then\n" +
            "    redis.call(\"EXPIRE\", key, lockTimeOut)\n" +
            "end\n" +
            "return 0"
    );

    private ScriptCaller releaseCaller = ScriptCaller.getInstance(
            "local key = KEYS[1]\n" +
            "local identifier = ARGV[1]\n" +
            "\n" +
            "if redis.call(\"GET\", key) == identifier then\n" +
            "    redis.call(\"DEL\", key)\n" +
            "    return 1\n" +
            "end\n" +
            "return 0"
    );

    @Test
    public void client() {
        Jedis jedis = new Jedis("127.0.0.1", 9736);
        String identifier = acquireLockWithTimeOut(jedis, "ret1", 200 * 1000, 300);
        System.out.println(releaseLock(jedis, "ret1", identifier));
    }

    String acquireLockWithTimeOut(Jedis connection, String lockName, long acquireTimeOut, int lockTimeOut) {
        String identifier = UUID.randomUUID().toString();

        List<String> keys = Collections.singletonList("lock:" + lockName);
        List<String> argv = Arrays.asList(identifier,
                String.valueOf(lockTimeOut));

        long acquireTimeEnd = System.currentTimeMillis() + acquireTimeOut;
        boolean acquired = false;
        while (!acquired && (System.currentTimeMillis() < acquireTimeEnd)) {
            if (1 == (long) acquireCaller.call(connection, keys, argv, false)) {
                acquired = true;
            } else {
                try {
                    Thread.sleep(10);
                } catch (InterruptedException ignored) {
                }
            }
        }

        return acquired ? identifier : null;
    }

    boolean releaseLock(Jedis connection, String lockName, String identifier) {
        List<String> keys = Collections.singletonList("lock:" + lockName);
        List<String> argv = Collections.singletonList(identifier);
        return 1 == (long) releaseCaller.call(connection, keys, argv, true);
    }
}

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