Lua的内存布局结构

Lua的内存布局结构

0.Lua编译过程？
1.Lua内存布局？
2.内存中的状态？

我们知道每种语言都有自己的内存布局的状态，比如C++，Lua也不例外（动态语言:即边解释边执行），只是没有 C++ 那么复杂，C++ 是面向对象语言静态语言，由于本身语言特性比较多，比如继承、虚函数等，所以对象的内存布局模型会复杂很多。下面我们结合一个简单的脚本示例及加载、执行脚本主干流程产生的数据结构对象来分析Lua中的内存布局是怎么样的。 Lua脚本通过编译成字节码中间状态才能在虚拟机上运行。这里主要分析脚本编译过程及加载到执行每个阶段内存中布局状态。各阶段涉及到创建的重要数据结构及加载执行中的内存布局。对应代码的流程为luaL_loadfile到lua_pcall的过程。

Lua从加载到执行可以理解整个过程就是两个状态：静态(Proto)和动态(LCloure)。
静态：编译器生成字节码后的中间产物：Proto(函数原型);
动态：是虚拟机执行过程中产生的LClosure（函数闭包或者说是函数对象）以及此闭包可以访问到的变量（upvalue:理解为函数上面的外部局部变量或者理解函数作用域的值）;
动态与静态的产物的关系可以理解为：LClosure = Proto + upvalues;
LClosure在Lua里中也为数据类型。

1.脚本及ByteCode：

test.lua源码：

function f()
print("hello thunder")
end

脚本编译ByteCode(luac -l -l luac.out):

main <test.lua:0,0> (4 instructions at 0x7fbfdf4061b0)
0+ params, 2 slots, 1 upvalue, 0 locals, 1 constant, 1 function
    1   [1] VARARGPREP  0
    2   [3] CLOSURE     0 0 ; 0x7fbfdf4062c0
    3   [1] SETTABUP    0 0 0   ; _ENV "f"
    4   [3] RETURN      0 1 1   ; 0 out
constants (1) for 0x7fbfdf4061b0:
    0   S   "f"
locals (0) for 0x7fbfdf4061b0:
upvalues (1) for 0x7fbfdf4061b0:
    0   _ENV    1   0

function <test.lua:1,3> (5 instructions at 0x7fbfdf4062c0)
0+ params, 2 slots, 1 upvalue, 0 locals, 2 constants, 0 functions
    1   [1] VARARGPREP  0
    2   [2] GETTABUP    0 0 0   ; _ENV "print"
    3   [2] LOADK       1 1 ; "hello thunder"
    4   [2] CALL        0 2 1   ; 1 in 0 out
    5   [3] RETURN      0 1 1   ; 0 out
constants (2) for 0x7fbfdf4062c0:
    0   S   "print"
    1   S   "hello thunder"
locals (0) for 0x7fbfdf4062c0:
upvalues (1) for 0x7fbfdf4062c0:
    0   _ENV    0   0

2.脚本编译过程:

image.png

源码通过编译（luac）把所有的函数信息表示成Proto数据结构存储比如参数、常量、指令集、调试信息、本地变量及各数据size等等，保存编译的结果。最终通过虚拟机读取Proto指令数值中指令一个个来执行(lvm.c#luaV_execute)。执行过程中的数据单元为函数闭包（CLosure）。通过这个过程的了解，我们知道接下来要分析的是什么数据对象了。

3.Lua脚本加载内存布局

加载(luaL_loadfile)到内存后的内存布局：

vm_mem_z.png

在Lua中脚本加载通过luaL_loadfile生成一个函数闭包压入栈顶，然后luaY_parser词法、语法分析之后生成对应的数据存入到Proto中，字节码对应可详见函数部分Lua字节码文件结构及加载过程。如图主要为数据栈，函数调用栈以及全局状态中的数据及重要的栈指针。其中stack_last（最大stack位置,范围[stack，stack_last]）、top(栈顶)、stack(栈底)指向虚拟栈中对应的位置。具体数据含义可以参照：虚拟机篇

4.ByteCode VM上运行内存布局

Lua ByteCode加载到虚拟机之后执行(lua_pcall)字节码的内存布局状态：

vm_mem_zw.png

Lua执行通过lua_pcall函数，这里会涉及到一个比较重要的数据结构CallInfo，到lua_pcallk函数中，首先构建一个CallInfo指针实例指向lua_State（CallInfo *ci）当前函数及当前函数index等。最终通过luaV_execute函数pc = ci->u.l.savedpc、i(指令index) = *(pc++)循环执行的。具体可以详见：虚拟机篇。执行过程中除加载阶段涉及到的数据结构外比较重要的是CallInfo，状态中为双向链表结构，可以理解成函数调用栈，通过luaL_State结构体ci、base_ci指向函数栈当前CallInfo和栈底CallInfo。

5.总结

脚本加载、执行过程中主要围绕这几个数据结构（lua_State、global_State、CallInfo、LCloure、Proto）展开来的就是Lua内存布局结构（编译时结构和运行时结构）。通过上面我们应该很清晰什么是内存布局了，其实就是内存中的数据结构。