热装载代码

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小牛编辑

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2023-12-01

在 OpenResty 中，提及热加载代码，估计大家的第一反应是 lua_code_cache 这个开关。但 lua_code_cache off 的工作原理，是给每个请求创建一个独立的 Lua VM。即使抛去性能因素不谈，考虑到程序的正确性，也不应该在生产环境中关闭 lua_code_cache。

那么我们是否可以在生产环境中完成热加载呢？

代码有变动时，自动加载最新 Lua 代码，但是 Nginx 本身，不做任何 reload。
自动加载后的代码，享用 lua_code_cache on 带来的高效特性。

这里有多种玩法（引自 OpenResty 讨论组）：

使用 HUP reload 或者 binary upgrade 方式动态加载 Nginx 配置或重启 Nginx。这不会导致中间有请求被 drop 掉。
当 content_by_lua_file 里使用 Nginx 变量时，是可以动态加载新的 Lua 脚本的，不过要记得对 Nginx 变量的值进行基本的合法性验证，以免被注入攻击。

    location ~ '^/lua/(\w+(?:\/\w+)*)$' {
        content_by_lua_file $1;
    }

自己从外部数据源（包括文件系统）加载 Lua 源码或字节码，然后使用 loadstring() "eval" 进 Lua VM. 可以通过 package.loaded 自己来做缓存，毕竟频繁地加载源码和调用 loadstring()，以及频繁地 JIT 编译还是很昂贵的。比如 CloudFlare 公司采用的方法是从 modsecurity 规则编译出来的 Lua 代码就是通过 KyotoTycoon 动态分发到全球网络中的每一个 Nginx 服务器的。无需 reload 或者 binary upgrade.

自定义 module 的动态装载

对于已经装载的 module，我们可以通过 package.loaded.* = nil 的方式卸载（注意：如果对应模块是通过本地文件 require 加载的，该方式失效，ngx_lua_module 里面对以文件加载模块的方式做了特殊处理）。

不过，值得提醒的是，因为 require 这个内建函数在标准 Lua 5.1 解释器和 LuaJIT 2 中都被实现为 C 函数，所以你在自己的 loader 里可能并不能调用 ngx_lua 那些涉及非阻塞 IO 的 Lua 函数。因为这些 Lua 函数需要 yield 当前的 Lua 协程，而 yield 是无法跨越 Lua 调用栈上的 C 函数帧的。细节见

https://github.com/openresty/lua-nginx-module

所以直接操纵 package.loaded 是最简单和最有效的做法。CloudFlare 的 Lua WAF 系统中就是这么做的。

不过，值得提醒的是，从 package.loaded 解注册的 Lua 模块会被 GC 掉。而那些使用下列某一个或某几个特性的 Lua 模块是不能被安全的解注册的：

使用 FFI 加载了外部动态库
使用 FFI 定义了新的 C 类型
使用 FFI 定义了新的 C 函数原型

这个限制对于所有的 Lua 上下文都是适用的。

这样的 Lua 模块应避免手动从 package.loaded 卸载。当然，如果你永不手工卸载这样的模块，只是动态加载的话，倒也无所谓了。但在我们的 Lua WAF 的场景，已动态加载的一些 Lua 模块还需要被热替换掉（但不重新创建 Lua VM ）。

自定义 Lua script 的动态装载实现

引自OpenResty讨论组

一方面使用自定义的环境表 [1]，以白名单的形式提供用户脚本能访问的 API；另一方面，（只）为用户脚本禁用 JIT 编译，同时使用 Lua 的 debug hooks [2] 作脚本 CPU 超时保护（debug hooks 对于 JIT 编译的代码是不会执行的，主要是出于性能方面的考虑）。

下面这个小例子演示了这种玩法：

local user_script = [[
    local a = 0
    local rand = math.random
    for i = 1, 200 do
        a = a + rand(i)
    end
    ngx.say("hi")
]]

local function handle_timeout(typ)
    return error("user script too hot")
end

local function handle_error(err)
    return string.format("%s: %s", err or "", debug.traceback())
end

-- disable JIT in the user script to ensure debug hooks always work:
user_script = [[jit.off(true, true) ]] .. user_script

local f, err = loadstring(user_script, "=user script")
if not f then
    ngx.say("ERROR: failed to load user script: ", err)
    return
end

-- only enable math.*, and ngx.say in our sandbox:
local env = {
    math = math,
    ngx = { say = ngx.say },
    jit = { off = jit.off },
}
setfenv(f, env)

local instruction_limit = 1000
debug.sethook(handle_timeout, "", instruction_limit)
local ok, err = xpcall(f, handle_error)
if not ok then
    ngx.say("failed to run user script: ", err)
end
debug.sethook()  -- turn off the hooks

这个例子中我们只允许用户脚本调用 math 模块的所有函数、ngx.say() 以及 jit.off(). 其中 jit.off()是必需引用的，为的是在用户脚本内部禁用 JIT 编译，否则我们注册的 debug hooks 可能不会被调用。

另外，这个例子中我们设置了脚本最多只能执行 1000 条 VM 指令。你可以根据你自己的场景进行调整。

这里很重要的是，不能向用户脚本暴露 pcall 和 xpcall 这两个 Lua 指令，否则恶意用户会利用它故意拦截掉我们在 debug hook 里为中断脚本执行而抛出的 Lua 异常。

另外，require()、loadstring()、loadfile()、dofile()、io.、os. 等等 API 是一定不能暴露给不被信任的 Lua 脚本的。