1.1 Lua解釋器

1.1.1 Lua解釋器的整體架構

Lua是一門腳本語言，Lua腳本能夠邊編譯邊執行，符合解釋器的所有特征。編譯和運行Lua腳本的程序稱為Lua解釋器。

本節將對Lua的整體架構進行討論。在開始詳細討論之前，首先向讀者介紹一下什么是解釋器。按照編譯原理相關書籍的介紹，解釋器是將輸入的源代碼（腳本），直接編譯并且直接運行，源代碼被加載到解釋器以后，不會輸出目標代碼，而是直接被解釋執行，直接輸出結果，如圖1-1所示。

前文比較抽象地介紹了什么是解釋器，現在來看一個比較直觀的例子。例子在ubuntu16.04的云服務器上進行。首先，創建一個～/workspace/lua的目錄，并且通過cd命令（Dos系統的目錄切換命令），進入這個目錄。通過wget https://www.lua.org/ftp/lua-5.3.5.tar.gz命令語句，獲得lua-5.3.5的源碼壓縮包，如圖1-2所示。

接下來，使用tar-zxvf lua-5.3.5.tar.gz命令進行解壓，得到Lua源碼目錄lua-5.3.5，如圖1-3所示。

通過cd命令，進入到lua-5.3.5的目錄中，執行make linux指令，等待編譯完成。然后，在lua-5.3.5/src目錄下獲得一個名稱為lua和luac的可執行文件。這里的可執行文件lua就是Lua解釋器，luac則是將Lua腳本編譯成字節碼的編譯器。

在lua-5.3.5目錄下，創建一個scripts目錄，并且創建一個test.lua腳本，腳本里的代碼只是一個print（"hello world"）語句，輸入.../src/lua test.lua指令，可以得到圖1-4所示的結果。

結合圖1-1可以很自然地聯想到，test.lua就是源代碼（腳本），位于../src目錄下名為lua的可執行文件就是解釋器，而輸出的hello world就是運行結果。現在，讀者對Lua解釋器應該有了更為直觀的認識了。那么解釋器和編譯器又有什么區別呢？按照編譯器的定義，編譯器的作用就是將一種語言轉化為另一種語言。在編譯器實踐中，通常編譯器的輸入語言是相對高級的語言，而輸出語言通常是更貼近底層的語言，如圖1-5所示。

編譯器在對源語言執行編譯時，并不會直接運行源語言的邏輯，而是將其轉化為目標語言。比如前面對Lua源碼進行編譯，會得到很多“.o”文件。那么Lua源碼則是源語言，GCC是編譯器，“?.o”文件則包含了目標語言（二進制機器碼）。此外，還需要通過鏈接器，將諸多“.o”文件整合成可執行文件lua和luac。在lua和luac程序被啟動之前，Lua源代碼在編譯和鏈接的過程中是沒有被執行的，而解釋器則會直接對輸入的腳本代碼進行執行操作，這就是編譯器和解釋器的核心區別。

在了解完編譯器和解釋器的概念之后，現在開始探討Lua解釋器的整體架構。Lua解釋器主要有兩種運行模式：一種是前面展示的，直接加載Lua腳本并執行，直接獲得運行結果；另一種則是通過Lua編譯器（即可執行文件），將Lua腳本編譯成字節碼暫存在磁盤中，當需要使用的時候，再去加載執行，如圖1-6所示。

兩種模式主要的區別是，編譯腳本代碼發生在不同的時期。第一種是解釋器運行期間，加載腳本代碼后，直接編譯并直接運行。第二種模式則是預先將腳本編譯，并以文件的形式存入磁盤，需要的時候，再加載到解釋器中進行執行，此時省去了編譯的過程。

這里就涉及一個新的問題，預先編譯的模式能否在運行期比直接加載腳本并執行的模式更快呢？答案是否定的。因為不論是預先編譯，還是直接加載腳本并且編譯執行，它們生成的指令是一樣的，因此在運行期間不會有效率上的差別。但是預先編譯的方式，確實會在加載和執行時省去編譯所需要的時間。

官方Lua中，luac和lua兩個可執行文件都包含了一個內置編譯器。它們內部包含的內置編譯器是一樣的，只是luac增加了輸出字節碼的邏輯。本書不會對如何構建luac編譯器進行討論，而是集中時間精力探索Lua解釋器，因為只要搞懂Lua解釋器的運行機制，讀者回顧luac的時候就自然會駕輕就熟了。

繼續研究Lua解釋器的整體內部構造。前面將Lua當作是一個黑盒子，現在要做的則是打開這個黑盒子。Lua解釋器可以分割成兩大部分，分別是編譯器和虛擬機。回顧一下圖1-1的情景，腳本會被解釋器加載編譯并執行，直接輸出結果。將其內部繼續細化，得到圖1-7所示的結果。從圖中可以看到，解釋器內部被分割成編譯器和虛擬機。該運行方式和圖1-6的方式非常相似，只是通過編譯器編譯后的字節碼，圖1-6的方式是存放在文件里，并且在編譯的過程中，解釋器程序未被啟動。而圖1-7的方式則是將字節碼信息存在一個被叫作Proto的內存結構中，這個結構主要是存放編譯結果（指令、常量等信息）。虛擬機在運行的過程中，會從Proto結構中取出一個個的字節碼，然后再執行。

前面對編譯器和解釋器進行了說明，現在發現解釋器內部還包含了一個編譯器，如圖1-7所示。有些讀者可能會有些困惑，既然編譯器和解釋器是有區別的，那Lua解釋器為什么又包含了編譯器呢？前文也已經提到過，只要能將一種語言轉化成另一種語言的程序，都是符合編譯器的定義的。Lua解釋器內部的編譯器，本質上是將腳本代碼編譯成字節碼，符合這個定義，因此也是編譯器。

在編譯原理中，有編譯型語言和解釋型語言之分。編譯型語言的編譯器，能夠將源代碼直接編譯成機器碼生成可執行文件，運行源碼的邏輯需要將可執行文件加載到進程中執行，比如C/C++語言就是這種類型。編譯型語言編譯出來的機器碼是和平臺相關的，比如在x86平臺上編譯的程序，是不能在ARM平臺上運行的。解釋型語言則不同，只要目標平臺能夠運行該語言的解釋器，它們的邏輯腳本可以不經過任何修改，就能在這些目標平臺上運行。Lua就是這樣的解釋型語言。

Lua解釋器的內置編譯器和編譯型語言（比如C、C++）是有很大的區別的。編譯型語言的編譯器強大且復雜，根據《編譯原理：原理、技術與工具》一書中的定義，它包含了前端和后端。前端負責對源代碼進行詞法分析、語法分析、語義分析，再通過中間碼生成器生成中間表示，然后交給編譯器后端的代碼生成器生成目標機器碼，最后通過編譯器后端的目標碼優化器優化目標機器碼，如圖1-8所示。

Lua解釋器的內置編譯器，則沒有這么復雜。首先它不負責生成機器碼，主要工作就是將Lua腳本編譯成虛擬機能夠識別的字節碼。其次，它的構造也很簡單，主要包含了詞法分析器和語法分析器。其語法分析器也不生成抽象語法樹，而是直接生成字節碼。

截止到現在，已完成對Lua解釋器整體架構的介紹。下一節，將對Lua解釋器的整體運行機制進行簡要的介紹。