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# 24 | 实战：处理四层流量，实现Memcached Server
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你好，我是温铭。
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在前面几节课中，我们介绍了不少处理请求的 Lua API ，不过它们都是和七层相关的。除此之外，OpenResty 其实还提供了 `stream-lua-nginx-module` 模块来处理四层的流量。它提供的指令和 API ，与 `lua-nginx-module` 基本一致。
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今天，我就带你一起用 OpenResty 来实现一个 memcached server，而且大概只需要 100 多行代码就可以完成。在这个小的实战中，我们会用到不少前面学过的内容，也会带入一些后面测试和性能优化章节的内容。
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所以，我希望你能够明确一点，我们这节课的重点，不在于你必须读懂每一行代码的具体作用，而是你要从需求、测试、开发等角度，把 OpenResty 如何从零开发一个项目的全貌了然于心。
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## 原始需求和技术方案
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在开发之前，我们都需要明白需求是什么，到底是用来解决什么问题的，否则就会在迷失在技术选择中。比如看到我们今天的主题，你就应该先反问一下自己，为什么要实现一个 memcached server 呢？直接安装一个原版的 memcached 或者 redis 不就行了吗？
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我们知道，HTTPS 流量逐渐成为主流，但一些比较老的浏览器并不支持 session ticket，那么我们就需要在服务端把 session ID 存下来。如果本地存储空间不够，就需要一个集群进行存放，而这个数据又是可以丢弃的，所以选用 memcached 就比较合适。
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这时候，直接引入 memcached ，应该是最简单直接的方案。但出于以下几个方面的考虑，我还是选择使用 OpenResty 来造一个轮子：
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* 第一，直接引入会多引入一个进程，增加部署和维护成本；
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* 第二，这个需求足够简单，只需要 get 和 set 操作，并且支持过期即可；
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* 第三，OpenResty 有 stream 模块，可以很快地实现这个需求。
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既然要实现 memcached server，我们就需要先弄明白它的协议。memcached 的协议可以支持 TCP 和 UDP，这里我选择 TCP，下面是 get 和 set 命令的具体协议：
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```
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Get
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根据 key 获取 value
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Telnet command: get <key>*\r\n
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示例：
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get key
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VALUE key 0 4 data END
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```
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```
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Set
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存储键值对到 memcached 中
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Telnet command：set <key> <flags> <exptime> <bytes> [noreply]\r\n<value>\r\n
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示例：
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set key 0 900 4 data
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STORED
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```
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除了 get 和 set 外，我们还需要知道 memcached 的协议的“错误处理”是怎么样做的。“错误处理”对于服务端的程序是非常重要的，我们在编写程序时，除了要处理正常的请求，也要考虑到各种异常。比如下面这样的场景：
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* memcached 发送了一个get、set 之外的请求，我要怎么处理呢？
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* 服务端出错，我要给 memcached 的客户端一个什么样的反馈呢？
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同时，我们希望写出能够兼容 memcached 的客户端程序。这样，使用者就不用区分这是 memcached 官方的版本，还是 OpenResty 实现的版本了。
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下面这张图出自memcached 的文档，描述了出错的时候，应该返回什么内容和具体的格式，你可以用做参考：
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现在，再来确定下技术方案。我们知道，OpenResty 的 shared dict 可以跨各个 worker 来使用，把数据放在 shared dict 里面，和放在 memcached 里面非常类似——它们都支持 get 和 set 操作，并且在进程重启后数据就丢失了。所以，使用 shared dict 来模拟 memcached 是非常合适的，它们的原理和行为都是一致的。
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## 测试驱动开发
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接下来就要开始动工了。不过，基于测试驱动开发的思想，在写具体的代码之前，让我们先来构造一个最简单的测试案例。这里我们不用 `test::nginx` 框架，毕竟它的上手难度也不低，我们不妨先用熟悉的 `resty` 来手动测试下：
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```
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$ resty -e 'local memcached = require "resty.memcached"
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local memc, err = memcached:new()
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memc:set_timeout(1000) -- 1 sec
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local ok, err = memc:connect("127.0.0.1", 11212)
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local ok, err = memc:set("dog", 32)
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if not ok then
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ngx.say("failed to set dog: ", err)
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return
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end
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local res, flags, err = memc:get("dog")
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ngx.say("dog: ", res)'
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```
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这段测试代码，使用 `lua-rety-memcached` 客户端库发起 connect 和 set 操作，并假设 memcached 的服务端监听本机的 11212 端口。
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看起来应该没有问题了吧。你可以在自己的机器上执行一下这段代码，不出意外的话，会返回 `failed to set dog: closed` 这样的错误提示，因为此时服务并没有启动。
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到现在为止，你的技术方案就已经明确了，那就是使用 stream 模块来接收和发送数据，同时使用 shared dict 来存储数据。
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衡量需求是否完成的指标也很明确，那就是跑通上面这段代码，并把 dog 的实际值给打印出来。
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## 搭建框架
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那还等什么，开始动手写代码吧！
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我个人的习惯，是先搭建一个最小的可以运行的代码框架，然后再逐步地去填充代码。这样的好处是，在编码过程中，你可以给自己设置很多小目标；而且在完成一个小目标后，测试案例也会给你正反馈。
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让我们先来设置好 Nginx 的配置文件，因为stream 和 shared dict 要在其中预设。下面是我设置的配置文件：
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```
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stream {
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lua_shared_dict memcached 100m;
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lua_package_path 'lib/?.lua;;';
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server {
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listen 11212;
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content_by_lua_block {
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local m = require("resty.memcached.server")
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m.run()
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}
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}
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}
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```
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你可以看到，这段配置文件中有几个关键的信息：
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* 首先，代码运行在 Nginx 的 stream 上下文中，而非 HTTP 上下文中，并且监听了 11212 端口；
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* 其次，shared dict 的名字为 memcached，大小是 100M，这些在运行期是不可以修改的；
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* 另外，代码所在目录为 `lib/resty/memcached`, 文件名为 `server.lua`, 入口函数为 `run()`，这些信息你都可以从`lua_package_path` 和 `content_by_lua_block` 中找到。
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接着，就该搭建代码框架了。你可以自己先动手试试，然后我们一起来看下我的框架代码：
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```
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local new_tab = require "table.new"
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local str_sub = string.sub
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local re_find = ngx.re.find
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local mc_shdict = ngx.shared.memcached
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local _M = { _VERSION = '0.01' }
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local function parse_args(s, start)
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end
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function _M.get(tcpsock, keys)
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end
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function _M.set(tcpsock, res)
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end
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function _M.run()
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local tcpsock = assert(ngx.req.socket(true))
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while true do
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tcpsock:settimeout(60000) -- 60 seconds
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local data, err = tcpsock:receive("*l")
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local command, args
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if data then
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local from, to, err = re_find(data, [[(\S+)]], "jo")
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if from then
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command = str_sub(data, from, to)
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args = parse_args(data, to + 1)
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end
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end
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if args then
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local args_len = #args
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if command == 'get' and args_len > 0 then
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_M.get(tcpsock, args)
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elseif command == "set" and args_len == 4 then
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_M.set(tcpsock, args)
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end
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end
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end
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end
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return _M
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```
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这段代码，便实现了入口函数 `run()` 的主要逻辑。虽然我还没有做异常处理，依赖的 `parse_args`、`get` 和 `set` 也都是空函数，但这个框架已经完整表达了memcached server 的逻辑。
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## 填充代码
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接下来，让我们按照代码的执行顺序，逐个实现这几个空函数。
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首先，我们可以根据 memcached [的协议](https://github.com/memcached/memcached/blob/master/doc/protocol.txt)[文档](https://github.com/memcached/memcached/blob/master/doc/protocol.txt)，解析 memcached 命令的参数：
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```
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local function parse_args(s, start)
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local arr = {}
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while true do
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local from, to = re_find(s, [[\S+]], "jo", {pos = start})
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if not from then
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break
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end
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table.insert(arr, str_sub(s, from, to))
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start = to + 1
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end
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return arr
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end
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```
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这里，我的建议是，先用最直观的方式来实现一个版本，不用考虑任何性能的优化。毕竟，完成总是比完美更重要，而且，基于完成的逐步优化才可以趋近完美。
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接下来，我们就来实现下 `get` 函数。它可以一次查询多个键，所以下面代码中我用了一个 for 循环：
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```
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function _M.get(tcpsock, keys)
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local reply = ""
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for i = 1, #keys do
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local key = keys[i]
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local value, flags = mc_shdict:get(key)
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if value then
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local flags = flags or 0
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reply = reply .. "VALUE" .. key .. " " .. flags .. " " .. #value .. "\r\n" .. value .. "\r\n"
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end
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end
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reply = reply .. "END\r\n"
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tcpsock:settimeout(1000) -- one second timeout
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local bytes, err = tcpsock:send(reply)
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end
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```
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其实，这里最核心的代码只有一行：`local value, flags = mc_shdict:get(key)`，也就是从 shared dict 中查询到数据；至于其余的代码，都在按照 memcached 的协议拼接字符串，并最终 send 到客户端。
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最后，我们再来看下 `set` 函数。它将接收到的参数转换为 shared dict API 的格式，把数据储存了起来；并在出错的时候，按照 memcached 的协议做出处理：
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```
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function _M.set(tcpsock, res)
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local reply = ""
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local key = res[1]
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local flags = res[2]
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local exptime = res[3]
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local bytes = res[4]
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local value, err = tcpsock:receive(tonumber(bytes) + 2)
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if str_sub(value, -2, -1) == "\r\n" then
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local succ, err, forcible = mc_shdict:set(key, str_sub(value, 1, bytes), exptime, flags)
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if succ then
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reply = reply .. “STORED\r\n"
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else
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reply = reply .. "SERVER_ERROR " .. err .. “\r\n”
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end
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else
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reply = reply .. "ERROR\r\n"
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end
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tcpsock:settimeout(1000) -- one second timeout
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local bytes, err = tcpsock:send(reply)
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end
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```
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另外，在填充上面这几个函数的过程中，你可以用测试案例来做检验，并用 `ngx.log` 来做 debug。比较遗憾的是，OpenResty 中并没有断点调试的工具，所以我们都是使用 `ngx.say` 和 `ngx.log` 来调试的，在这方面可以说是还处于刀耕火种的时代。
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## 写在最后
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这个实战项目到现在就接近尾声了，最后，我想留一个动手作业。你可以把上面 memcached server 的实现代码，完整地运行起来，并通过测试案例吗？
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今天的作业题估计要花费你不少的精力了，不过，这还是一个原始的版本，还没有错误处理、性能优化和自动化测试，这些就要放在后面继续完善了。我也希望通过后面内容的学习，你最终能够完成一个完善的版本。
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如果对于今天的讲解或者自己的实践有什么疑惑，欢迎你留言和我讨论。也欢迎你把这篇文章转发给你的同事朋友，我们一起实战，一起进步。
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