1.1 Lua解释器

1.1.1 Lua解释器的整体架构

Lua是一门脚本语言，Lua脚本能够边编译边执行，符合解释器的所有特征。编译和运行Lua脚本的程序称为Lua解释器。

本节将对Lua的整体架构进行讨论。在开始详细讨论之前，首先向读者介绍一下什么是解释器。按照编译原理相关书籍的介绍，解释器是将输入的源代码（脚本），直接编译并且直接运行，源代码被加载到解释器以后，不会输出目标代码，而是直接被解释执行，直接输出结果，如图1-1所示。

前文比较抽象地介绍了什么是解释器，现在来看一个比较直观的例子。例子在ubuntu16.04的云服务器上进行。首先，创建一个～/workspace/lua的目录，并且通过cd命令（Dos系统的目录切换命令），进入这个目录。通过wget https://www.lua.org/ftp/lua-5.3.5.tar.gz命令语句，获得lua-5.3.5的源码压缩包，如图1-2所示。

接下来，使用tar-zxvf lua-5.3.5.tar.gz命令进行解压，得到Lua源码目录lua-5.3.5，如图1-3所示。

通过cd命令，进入到lua-5.3.5的目录中，执行make linux指令，等待编译完成。然后，在lua-5.3.5/src目录下获得一个名称为lua和luac的可执行文件。这里的可执行文件lua就是Lua解释器，luac则是将Lua脚本编译成字节码的编译器。

在lua-5.3.5目录下，创建一个scripts目录，并且创建一个test.lua脚本，脚本里的代码只是一个print（"hello world"）语句，输入.../src/lua test.lua指令，可以得到图1-4所示的结果。

结合图1-1可以很自然地联想到，test.lua就是源代码（脚本），位于../src目录下名为lua的可执行文件就是解释器，而输出的hello world就是运行结果。现在，读者对Lua解释器应该有了更为直观的认识了。那么解释器和编译器又有什么区别呢？按照编译器的定义，编译器的作用就是将一种语言转化为另一种语言。在编译器实践中，通常编译器的输入语言是相对高级的语言，而输出语言通常是更贴近底层的语言，如图1-5所示。

编译器在对源语言执行编译时，并不会直接运行源语言的逻辑，而是将其转化为目标语言。比如前面对Lua源码进行编译，会得到很多“.o”文件。那么Lua源码则是源语言，GCC是编译器，“∗.o”文件则包含了目标语言（二进制机器码）。此外，还需要通过链接器，将诸多“.o”文件整合成可执行文件lua和luac。在lua和luac程序被启动之前，Lua源代码在编译和链接的过程中是没有被执行的，而解释器则会直接对输入的脚本代码进行执行操作，这就是编译器和解释器的核心区别。

在了解完编译器和解释器的概念之后，现在开始探讨Lua解释器的整体架构。Lua解释器主要有两种运行模式：一种是前面展示的，直接加载Lua脚本并执行，直接获得运行结果；另一种则是通过Lua编译器（即可执行文件），将Lua脚本编译成字节码暂存在磁盘中，当需要使用的时候，再去加载执行，如图1-6所示。

两种模式主要的区别是，编译脚本代码发生在不同的时期。第一种是解释器运行期间，加载脚本代码后，直接编译并直接运行。第二种模式则是预先将脚本编译，并以文件的形式存入磁盘，需要的时候，再加载到解释器中进行执行，此时省去了编译的过程。

这里就涉及一个新的问题，预先编译的模式能否在运行期比直接加载脚本并执行的模式更快呢？答案是否定的。因为不论是预先编译，还是直接加载脚本并且编译执行，它们生成的指令是一样的，因此在运行期间不会有效率上的差别。但是预先编译的方式，确实会在加载和执行时省去编译所需要的时间。

官方Lua中，luac和lua两个可执行文件都包含了一个内置编译器。它们内部包含的内置编译器是一样的，只是luac增加了输出字节码的逻辑。本书不会对如何构建luac编译器进行讨论，而是集中时间精力探索Lua解释器，因为只要搞懂Lua解释器的运行机制，读者回顾luac的时候就自然会驾轻就熟了。

继续研究Lua解释器的整体内部构造。前面将Lua当作是一个黑盒子，现在要做的则是打开这个黑盒子。Lua解释器可以分割成两大部分，分别是编译器和虚拟机。回顾一下图1-1的情景，脚本会被解释器加载编译并执行，直接输出结果。将其内部继续细化，得到图1-7所示的结果。从图中可以看到，解释器内部被分割成编译器和虚拟机。该运行方式和图1-6的方式非常相似，只是通过编译器编译后的字节码，图1-6的方式是存放在文件里，并且在编译的过程中，解释器程序未被启动。而图1-7的方式则是将字节码信息存在一个被叫作Proto的内存结构中，这个结构主要是存放编译结果（指令、常量等信息）。虚拟机在运行的过程中，会从Proto结构中取出一个个的字节码，然后再执行。

前面对编译器和解释器进行了说明，现在发现解释器内部还包含了一个编译器，如图1-7所示。有些读者可能会有些困惑，既然编译器和解释器是有区别的，那Lua解释器为什么又包含了编译器呢？前文也已经提到过，只要能将一种语言转化成另一种语言的程序，都是符合编译器的定义的。Lua解释器内部的编译器，本质上是将脚本代码编译成字节码，符合这个定义，因此也是编译器。

在编译原理中，有编译型语言和解释型语言之分。编译型语言的编译器，能够将源代码直接编译成机器码生成可执行文件，运行源码的逻辑需要将可执行文件加载到进程中执行，比如C/C++语言就是这种类型。编译型语言编译出来的机器码是和平台相关的，比如在x86平台上编译的程序，是不能在ARM平台上运行的。解释型语言则不同，只要目标平台能够运行该语言的解释器，它们的逻辑脚本可以不经过任何修改，就能在这些目标平台上运行。Lua就是这样的解释型语言。

Lua解释器的内置编译器和编译型语言（比如C、C++）是有很大的区别的。编译型语言的编译器强大且复杂，根据《编译原理：原理、技术与工具》一书中的定义，它包含了前端和后端。前端负责对源代码进行词法分析、语法分析、语义分析，再通过中间码生成器生成中间表示，然后交给编译器后端的代码生成器生成目标机器码，最后通过编译器后端的目标码优化器优化目标机器码，如图1-8所示。

Lua解释器的内置编译器，则没有这么复杂。首先它不负责生成机器码，主要工作就是将Lua脚本编译成虚拟机能够识别的字节码。其次，它的构造也很简单，主要包含了词法分析器和语法分析器。其语法分析器也不生成抽象语法树，而是直接生成字节码。

截止到现在，已完成对Lua解释器整体架构的介绍。下一节，将对Lua解释器的整体运行机制进行简要的介绍。