1.2.1 虛擬機簡介

前文介紹了Lua解釋器的整體架構和運行機制，本節將會對其內部的一些數據結構進行簡要的介紹。在后續的章節中，會逐漸豐富虛擬機的內容。回顧一下圖1-7，到目前為止，Lua解釋器的虛擬機被看作是一個黑盒子，那么這個黑盒子里有什么東西呢？由于Lua解釋器是用C語言開發的，并沒有什么面向對象的概念，因此也沒有一個虛擬機類對象。但是Lua虛擬機有一個很重要的數據結構，這個結構被稱為global_State。這個結構包含了為虛擬機開辟和釋放內存所需的內存分配函數，保存GC對象和狀態的成員變量，以及一個主線程結構實例、全局注冊表等。

要理解Lua虛擬機，有兩個特別重要的結構要弄清楚，一個是前面說的global_State結構，還有一個是Lua虛擬機自定義的“線程”結構，也被稱為lua_State結構。Lua虛擬機里的“線程”和操作系統的線程是有區別的。操作系統中多條線程之間可以并發（分時間片交替運行）或并行（在同一時刻、不同CPU核心內）執行，而Lua虛擬機的“線程”則不行。Lua虛擬機的“線程”切換，必須等正在運行的“線程”先執行完或者主動調用掛起函數，否則其他“線程”不會被執行。Lua虛擬機的“線程”實際上是運行在操作系統的線程內。在實踐中，一條操作系統線程，在同一時刻往往只會運行Lua虛擬機里其中的一條“線程”。當Lua虛擬機內部存在多個“線程”實例時，除了“主線程”，其他“線程”實際上是協程。

現在先來看一下global_State的整體結構。global_State結構里的成員可以先從大體概念去劃分，而不是過早地關注內部的細節，這樣有利于先建立整體的概念，然后順著概念逐個擊破。圖1-11展示了整個global_State大體的結構，這是Lua虛擬機最核心的數據結構?，F在對global_State結構的幾個部分分別進行解釋和說明。

· Allocator：這是Lua虛擬機的內存分配器，本質上是一個內存分配函數。虛擬機開辟內存和釋放內存均需要通過這個函數。用戶可以自定義內存分配器，也可以使用官方默認的。官方默認的最終會調用realloc和free函數。

· GC fields：這是包含一系列和GC相關的成員，將在第2章詳細討論它們。

· String Table：這是短字符串的全局緩存。同樣地，對于字符串，將在第2章討論它的設計和實現。

· Registry：這是Lua虛擬機的全局注冊表。它本質上是一個Lua表對象，在全局注冊表Registry中只有數組被用到，并且第一個值是指向“主線程”的指針，而第二個值則是指向全局表（也就是_G）的指針。

· Mainthread：這是Lua虛擬機，指向“主線程”結構的指針。在Lua C層代碼中，可以很輕易地拿到global_State指針。而這個Mainthread指針，可以方便地獲取Mainthread對象。

剩下的部分是和元表、弱表等相關的內容，在第5章會介紹它們。

接下來要來介紹的內容則是Lua虛擬機“線程”結構。前文也已經提到過，Lua虛擬機的“線程”結構實際上是lua_State結構。lua_State結構的內容較多，這里將其抽象成若干個大的模塊，如圖1-12所示。下面對這些模塊分類進行簡要說明。

· GC相關：所謂GC即是Garbage Collection，也就是垃圾回收。所有垃圾回收相關的成員都歸為這類，第2章將詳細討論GC機制。

· Stack相關：每個Lua“線程”實例，都會有自己獨立的?？臻g、信息等。這些部分包含在stack相關的域內，Lua的函數會在棧上執行，臨時變量也會暫存在棧上，同時棧的起始地址、大小信息也包含在這里面。此外，Lua虛擬機的虛擬寄存器也是直接使用棧上的空間，第4章將討論編譯器相關的內容。

· status：代表了Lua“線程”實例的狀態，Lua“線程”在初始化階段會被設置為LUA_OK。

· global_State指針：指向Lua虛擬機中global_State結構的指針。

· CallInfo相關：這是函數調用相關的信息。前文提到過，函數（Lua函數和C函數）要被執行，首先函數實體要被壓入lua_State結構的棧中，然后再進行調用。CallInfo相關的信息則會記錄被調用的函數在棧中的位置。每個被調用的函數都有自己獨立的虛擬棧（lua_State棧中的某個片段），CallInfo信息會記錄獨立虛擬棧的棧頂信息。此外，它還記錄了被調用的函數有幾個返回值、調用的狀態以及當前執行的指令地址等，是和Lua棧一樣具有同等重要性的數據結構。

· 異常處理相關：當Lua棧內函數調用發生異常時，需要這些異常相關的變量協助進行錯誤處理。

到這里就已經完成Lua虛擬機中最重要的兩個數據結構的介紹了。實際上，需要介紹的內容還有很多，包括字符串和表等，這些將在后續章節詳細介紹。此外，相關資料對于虛擬機的定義，語言級別的虛擬機是用來運行獨立于平臺的程序（比如字節碼）。也就是說，Lua虛擬機也需要有解析并運行Lua字節碼的能力。

Lua虛擬機的運行主要是調用函數。在Lua虛擬機中被調用的函數類型主要有兩大類：一類是C函數，另一類是Lua函數。C函數又細分為Light C Function和C閉包（C Closure），Lua函數主要是指Lua閉包。本書將在后續章節介紹閉包的概念，這里僅舉兩個簡單的例子。先來看第一個例子，假設有一個C函數，如下所示。

在調用test_main04函數之前，首先要調用luaL_newstate函數創建一個Lua虛擬機實例，內存中將會得到一個global_State和lua_State實例。此時，虛擬機將test_main04函數壓入虛擬機“主線程”的棧中，然后壓入兩個整型參數：1和2，得到圖1-13所示的結果。

現在可以清晰地看到棧頂函數和參數的位置。那么此時，要在Lua虛擬機中運行test_main04函數，需要調用隨書代碼中的lua_pcall函數，其聲明如下所示。

函數的第一個參數L是表示Lua“線程”；第二個參數narg表示要在Lua“線程”里執行的函數有多少個參數；第三個參數nresult表示在Lua“線程”里執行的函數有多少個返回值。

可以看到，test_main04函數是將兩個輸入參數相加再返回，那么要在虛擬機調用這個函數需要調用如下代碼。

這里需要說明的是，lua_pcall函數是隨書工程自定義的一個函數，為了方便敘述，它省略了官方同名函數中的最后一個參數。上面這行代碼代表的含義是，調用圖1-13中Lua“主線程”棧上位于top-（2+1）位置上的test_main04函數，其中參數有兩個，返回值是1個。接下來，就會執行test_main04函數，于是可以得到圖1-14所示的結果。

從圖1-14中，可以看到原來函數的位置被計算結果覆蓋了。而top指針則指向了計算結果的上方。

以上就是Lua虛擬機調用C函數的一個簡單例子。既然Lua虛擬機的作用是運行Lua腳本編譯出來的指令，為什么還要保留調用C函數的功能呢？這樣會不會多此一舉？答案是不會的。因為在Lua腳本中調用C函數，C庫可以作為Lua語言的高性能拓展，這也是為什么Lua能作為膠水語言的原因。

現在來看第二個例子。假設有一個Lua腳本test.lua，腳本里的代碼只是一行“print（"hello world"）”的代碼，那么加載并運行這段腳本的流程又是怎樣的呢？首先，通過luaL_loadfile函數加載test.lua腳本，并進行編譯，此時會生成一個LClosure類型的實例（腳本被編譯之后的結果，被虛擬機運行前，要創建這樣一個實例來存放這些編譯結果和執行狀態）。它包含了一個Proto結構，Proto結構里包含了編譯好的指令和其他一些信息，這種狀態可以通過圖1-15來表示。在圖中讀者可以看到，編譯后的結果會被存放在Proto結構中，其中指令存放在code列表中，而腳本中的常量則被存放到常量表k中。圖中的Proto結構是被壓入棧中LClosure實例的一個成員。目前圖1-15所展示的是經過luaL_loadfile編譯后的狀態，接下來就是要讓虛擬機去運行LClosure實例中的代碼了。

調用lua_pcall（L，0，0）就能夠讓虛擬機找到LClosure函數，并且去執行它。虛擬機的執行函數，會逐個運行Proto結構中code列表的指令。

首先執行的是“OP_GETTABUP 0 0 256”指令。這個指令的等式表達為R(A)=_ENV[RK(C)]（R表示寄存器，K表示常量表）。指令的第一個0表示目標寄存器的位置，在本例中就是stack上被標記為0的位置。第二個0表示從LClosure實例的第0個上值（upvalue）找RK（256）的變量。在Lua-5.3中，每個函數實例的第一個上值都是_ENV，而它默認指向_G。RK（C）的含義是：當C的值<256時，就去棧中找變量；當C≥256時，就到常量表k[C-256]中找值。結合起來，就是

R(A)=_ENV[RK(C)]==>R(0)=_ENV[k[C-256]]==>R(0)=_ENV[k[0]]==>R(0)=_G[“print”]

含義就是，從全局表_G中找到名為print的值，并且將其設置到stack上被標記為0的位置上。

接下來要執行的指令則是OP_LOADK，它的等式表達為R(A)=k[B]。結合本例的例子，可以得到如下推導：

R(A)=k[B]==>R(1)=k[1]==>R(1)=“hello world”

往后就是執行OP_CALL指令（見附錄A），它可以用公式“Call R（A）B-1 C-1”表示。將當前情景代入，則是Call R（0）1 0，表示調用位于棧0的函數——print函數，輸入一個參數“hello world”，并返回0個值。完成調用后，屏幕輸出“hello world”，同時棧中0和1標記的位置就相當于清空狀態了。

對Lua虛擬機的介紹就到此為止了。本節首先對虛擬機兩個重要的數據結構global_State和lua_State進行簡要說明，然后對虛擬機運行C函數和Lua函數的流程也進行了簡要的說明，后面將介紹Lua虛擬機的指令編碼方式和指令集。