1.2.1 虚拟机简介

前文介绍了Lua解释器的整体架构和运行机制，本节将会对其内部的一些数据结构进行简要的介绍。在后续的章节中，会逐渐丰富虚拟机的内容。回顾一下图1-7，到目前为止，Lua解释器的虚拟机被看作是一个黑盒子，那么这个黑盒子里有什么东西呢？由于Lua解释器是用C语言开发的，并没有什么面向对象的概念，因此也没有一个虚拟机类对象。但是Lua虚拟机有一个很重要的数据结构，这个结构被称为global_State。这个结构包含了为虚拟机开辟和释放内存所需的内存分配函数，保存GC对象和状态的成员变量，以及一个主线程结构实例、全局注册表等。

要理解Lua虚拟机，有两个特别重要的结构要弄清楚，一个是前面说的global_State结构，还有一个是Lua虚拟机自定义的“线程”结构，也被称为lua_State结构。Lua虚拟机里的“线程”和操作系统的线程是有区别的。操作系统中多条线程之间可以并发（分时间片交替运行）或并行（在同一时刻、不同CPU核心内）执行，而Lua虚拟机的“线程”则不行。Lua虚拟机的“线程”切换，必须等正在运行的“线程”先执行完或者主动调用挂起函数，否则其他“线程”不会被执行。Lua虚拟机的“线程”实际上是运行在操作系统的线程内。在实践中，一条操作系统线程，在同一时刻往往只会运行Lua虚拟机里其中的一条“线程”。当Lua虚拟机内部存在多个“线程”实例时，除了“主线程”，其他“线程”实际上是协程。

现在先来看一下global_State的整体结构。global_State结构里的成员可以先从大体概念去划分，而不是过早地关注内部的细节，这样有利于先建立整体的概念，然后顺着概念逐个击破。图1-11展示了整个global_State大体的结构，这是Lua虚拟机最核心的数据结构。现在对global_State结构的几个部分分别进行解释和说明。

· Allocator：这是Lua虚拟机的内存分配器，本质上是一个内存分配函数。虚拟机开辟内存和释放内存均需要通过这个函数。用户可以自定义内存分配器，也可以使用官方默认的。官方默认的最终会调用realloc和free函数。

· GC fields：这是包含一系列和GC相关的成员，将在第2章详细讨论它们。

· String Table：这是短字符串的全局缓存。同样地，对于字符串，将在第2章讨论它的设计和实现。

· Registry：这是Lua虚拟机的全局注册表。它本质上是一个Lua表对象，在全局注册表Registry中只有数组被用到，并且第一个值是指向“主线程”的指针，而第二个值则是指向全局表（也就是_G）的指针。

· Mainthread：这是Lua虚拟机，指向“主线程”结构的指针。在Lua C层代码中，可以很轻易地拿到global_State指针。而这个Mainthread指针，可以方便地获取Mainthread对象。

剩下的部分是和元表、弱表等相关的内容，在第5章会介绍它们。

接下来要来介绍的内容则是Lua虚拟机“线程”结构。前文也已经提到过，Lua虚拟机的“线程”结构实际上是lua_State结构。lua_State结构的内容较多，这里将其抽象成若干个大的模块，如图1-12所示。下面对这些模块分类进行简要说明。

· GC相关：所谓GC即是Garbage Collection，也就是垃圾回收。所有垃圾回收相关的成员都归为这类，第2章将详细讨论GC机制。

· Stack相关：每个Lua“线程”实例，都会有自己独立的栈空间、信息等。这些部分包含在stack相关的域内，Lua的函数会在栈上执行，临时变量也会暂存在栈上，同时栈的起始地址、大小信息也包含在这里面。此外，Lua虚拟机的虚拟寄存器也是直接使用栈上的空间，第4章将讨论编译器相关的内容。

· status：代表了Lua“线程”实例的状态，Lua“线程”在初始化阶段会被设置为LUA_OK。

· global_State指针：指向Lua虚拟机中global_State结构的指针。

· CallInfo相关：这是函数调用相关的信息。前文提到过，函数（Lua函数和C函数）要被执行，首先函数实体要被压入lua_State结构的栈中，然后再进行调用。CallInfo相关的信息则会记录被调用的函数在栈中的位置。每个被调用的函数都有自己独立的虚拟栈（lua_State栈中的某个片段），CallInfo信息会记录独立虚拟栈的栈顶信息。此外，它还记录了被调用的函数有几个返回值、调用的状态以及当前执行的指令地址等，是和Lua栈一样具有同等重要性的数据结构。

· 异常处理相关：当Lua栈内函数调用发生异常时，需要这些异常相关的变量协助进行错误处理。

到这里就已经完成Lua虚拟机中最重要的两个数据结构的介绍了。实际上，需要介绍的内容还有很多，包括字符串和表等，这些将在后续章节详细介绍。此外，相关资料对于虚拟机的定义，语言级别的虚拟机是用来运行独立于平台的程序（比如字节码）。也就是说，Lua虚拟机也需要有解析并运行Lua字节码的能力。

Lua虚拟机的运行主要是调用函数。在Lua虚拟机中被调用的函数类型主要有两大类：一类是C函数，另一类是Lua函数。C函数又细分为Light C Function和C闭包（C Closure），Lua函数主要是指Lua闭包。本书将在后续章节介绍闭包的概念，这里仅举两个简单的例子。先来看第一个例子，假设有一个C函数，如下所示。

在调用test_main04函数之前，首先要调用luaL_newstate函数创建一个Lua虚拟机实例，内存中将会得到一个global_State和lua_State实例。此时，虚拟机将test_main04函数压入虚拟机“主线程”的栈中，然后压入两个整型参数：1和2，得到图1-13所示的结果。

现在可以清晰地看到栈顶函数和参数的位置。那么此时，要在Lua虚拟机中运行test_main04函数，需要调用随书代码中的lua_pcall函数，其声明如下所示。

函数的第一个参数L是表示Lua“线程”；第二个参数narg表示要在Lua“线程”里执行的函数有多少个参数；第三个参数nresult表示在Lua“线程”里执行的函数有多少个返回值。

可以看到，test_main04函数是将两个输入参数相加再返回，那么要在虚拟机调用这个函数需要调用如下代码。

这里需要说明的是，lua_pcall函数是随书工程自定义的一个函数，为了方便叙述，它省略了官方同名函数中的最后一个参数。上面这行代码代表的含义是，调用图1-13中Lua“主线程”栈上位于top-（2+1）位置上的test_main04函数，其中参数有两个，返回值是1个。接下来，就会执行test_main04函数，于是可以得到图1-14所示的结果。

从图1-14中，可以看到原来函数的位置被计算结果覆盖了。而top指针则指向了计算结果的上方。

以上就是Lua虚拟机调用C函数的一个简单例子。既然Lua虚拟机的作用是运行Lua脚本编译出来的指令，为什么还要保留调用C函数的功能呢？这样会不会多此一举？答案是不会的。因为在Lua脚本中调用C函数，C库可以作为Lua语言的高性能拓展，这也是为什么Lua能作为胶水语言的原因。

现在来看第二个例子。假设有一个Lua脚本test.lua，脚本里的代码只是一行“print（"hello world"）”的代码，那么加载并运行这段脚本的流程又是怎样的呢？首先，通过luaL_loadfile函数加载test.lua脚本，并进行编译，此时会生成一个LClosure类型的实例（脚本被编译之后的结果，被虚拟机运行前，要创建这样一个实例来存放这些编译结果和执行状态）。它包含了一个Proto结构，Proto结构里包含了编译好的指令和其他一些信息，这种状态可以通过图1-15来表示。在图中读者可以看到，编译后的结果会被存放在Proto结构中，其中指令存放在code列表中，而脚本中的常量则被存放到常量表k中。图中的Proto结构是被压入栈中LClosure实例的一个成员。目前图1-15所展示的是经过luaL_loadfile编译后的状态，接下来就是要让虚拟机去运行LClosure实例中的代码了。

调用lua_pcall（L，0，0）就能够让虚拟机找到LClosure函数，并且去执行它。虚拟机的执行函数，会逐个运行Proto结构中code列表的指令。

首先执行的是“OP_GETTABUP 0 0 256”指令。这个指令的等式表达为R(A)=_ENV[RK(C)]（R表示寄存器，K表示常量表）。指令的第一个0表示目标寄存器的位置，在本例中就是stack上被标记为0的位置。第二个0表示从LClosure实例的第0个上值（upvalue）找RK（256）的变量。在Lua-5.3中，每个函数实例的第一个上值都是_ENV，而它默认指向_G。RK（C）的含义是：当C的值<256时，就去栈中找变量；当C≥256时，就到常量表k[C-256]中找值。结合起来，就是

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

含义就是，从全局表_G中找到名为print的值，并且将其设置到stack上被标记为0的位置上。

接下来要执行的指令则是OP_LOADK，它的等式表达为R(A)=k[B]。结合本例的例子，可以得到如下推导：

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

往后就是执行OP_CALL指令（见附录A），它可以用公式“Call R（A）B-1 C-1”表示。将当前情景代入，则是Call R（0）1 0，表示调用位于栈0的函数——print函数，输入一个参数“hello world”，并返回0个值。完成调用后，屏幕输出“hello world”，同时栈中0和1标记的位置就相当于清空状态了。

对Lua虚拟机的介绍就到此为止了。本节首先对虚拟机两个重要的数据结构global_State和lua_State进行简要说明，然后对虚拟机运行C函数和Lua函数的流程也进行了简要的说明，后面将介绍Lua虚拟机的指令编码方式和指令集。