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lua字符串

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本文内容基于版本：Lua 5.3.0

Lua字符串中的合法字符可以是任何的1字节数据，这包括了C语言中表示字符串结束的'\0'字符，也就是说Lua字符串在内部将以带长度的内存块的形式存储，存储的是二进制数据，解释器遇到'\0'字符并不会截断数据。同时在和C语言交互时，Lua又能保证为每个内部储存的字符串末尾添加'\0'字符以兼容C库函数，这使得Lua的字符串应用范围相当广泛。

Lua字符串一旦被创建，就不可被改写。Lua的值对象若为字符串类型，则它将以引用方式存在。字符串对象属于需要被垃圾收集器管理的对象，也就是说一个字符串一旦没有被任何地方引用就可以回收它。

Lua管理及操作字符串的方式和C语言不太相同，通过阅读其实现代码，可以加深对Lua字符串的理解，从而能更为高效的使用它。

TString结构

• TString结构的声明

Lua字符串对应的C结构为TString，该类型定义在lobject.h中。

// lobject.h
/*
** Common Header for all collectable objects (in macro form, to be
** included in other objects)
*/
#define CommonHeader    GCObject *next; lu_byte tt; lu_byte marked

// lobject.h
/*
** Header for string value; string bytes follow the end of this structure
** (aligned according to 'UTString'; see next).
*/
typedef struct TString {
  CommonHeader;
  lu_byte extra;  /* reserved words for short strings; "has hash" for longs */
  unsigned int hash;
  size_t len;  /* number of characters in string */
  struct TString *hnext;  /* linked list for hash table */
} TString;

CommonHeader : 用于GC的信息。

extra : 用于记录辅助信息。对于短字符串，该字段用来标记字符串是否为保留字，用于词法分析器中对保留字的快速判断；对于长字符串，该字段将用于惰性求哈希值的策略（第一次用到才进行哈希）。

hash : 记录字符串的hash值，可以用来加快字符串的匹配和查找。

len : 由于Lua并不以'\0'字符结尾来识别字符串的长度，因此需要一个len域来记录其长度。

hnext : hash table中相同hash值的字符串将串成一个列表，hnext域为指向下一个列表节点的指针。

• TString存储结构图

Lua字符串的数据内容部分并未分配独立的内存来存储，而是直接追加在TString结构的后面。TString存储结构如下图：

• Lua字符串对象 = TString结构 + 实际字符串数据
• TString结构 = GCObject *指针 + 字符串信息数据

短字符串和长字符串

• 长短字符串的划分

字符串将以两种内部形式保存在lua_State中：短字符串及长字符串。Lua中每个基本内建类型都对应了一个宏定义，其中字符串类型对应于LUA_TSTRING宏定义。对于长短字符串，Lua在LUA_TSTRING宏上扩展了两个小类型LUA_TSHRSTR和LUA_TLNGSTR，这两个类型在类型字节高四位存放0和1加以区别。这两个小类型为内部使用，不为外部API所见，因此对于最终用户来说，他们只见到LUA_TSTRING一种类型。

// lua.h
/*
** basic types
*/
#define LUA_TNONE             (-1)

#define LUA_TNIL              0
#define LUA_TBOOLEAN          1
#define LUA_TLIGHTUSERDATA    2
#define LUA_TNUMBER           3
#define LUA_TSTRING           4
#define LUA_TTABLE            5
#define LUA_TFUNCTION         6
#define LUA_TUSERDATA         7
#define LUA_TTHREAD           8

#define LUA_NUMTAGS           9

// lobject.h
/* Variant tags for strings */
#define LUA_TSHRSTR    (LUA_TSTRING | (0 << 4))  /* short strings */
#define LUA_TLNGSTR    (LUA_TSTRING | (1 << 4))  /* long strings */

长短字符串的界限是由定义在luaconf.h中的宏LUAI_MAXSHORTLEN来决定的，其默认设置为40（字节）。在Lua的设计中，元方法名和保留字必须是短字符串，所以短字符串长度不得短于最长的元方法__newindex和保留字function的长度，也就是说LUAI_MAXSHORTLEN最小不可以设置低于10（字节）。

// luaconf.h
/*
@@ LUAI_MAXSHORTLEN is the maximum length for short strings, that is,
** strings that are internalized. (Cannot be smaller than reserved words
** or tags for metamethods, as these strings must be internalized;
** #("function") = 8, #("__newindex") = 10.)
*/
#define LUAI_MAXSHORTLEN        40

• 字符串创建的函数调用图

抛开短字符串的内部化过程来看，创建字符串最终调用的都是createstrobj函数，该函数创建一个可被GC管理的对象，并将字符串内容拷贝到其中。

// lgc.c
/*
** create a new collectable object (with given type and size) and link
** it to 'allgc' list.
*/
GCObject *luaC_newobj (lua_State *L, int tt, size_t sz) {
  global_State *g = G(L);
  GCObject *o = cast(GCObject *, luaM_newobject(L, novariant(tt), sz));
  o->marked = luaC_white(g);
  o->tt = tt;
  // 放入GC对象列表
  o->next = g->allgc;
  g->allgc = o;
  return o;
}

// lstring.c
/*
** creates a new string object
*/
static TString *createstrobj (lua_State *L, const char *str, size_t l,
                              int tag, unsigned int h) {
  TString *ts;
  GCObject *o;
  size_t totalsize;  /* total size of TString object */
  totalsize = sizelstring(l);
  o = luaC_newobj(L, tag, totalsize);
  ts = gco2ts(o);
  ts->len = l;
  ts->hash = h;
  ts->extra = 0;
  memcpy(getaddrstr(ts), str, l * sizeof(char));
  getaddrstr(ts)[l] = '\0';  /* ending 0 */
  return ts;
}

字符串的哈希算法

• 哈希算法

Lua中字符串的哈希算法可以在luaS_hash函数中查看到。对于比较长的字符串（32字节以上），为了加快哈希过程，计算字符串哈希值是跳跃进行的。跳跃的步长（step）是由LUAI_HASHLIMIT宏控制的。

// lstring.c
/*
** Lua will use at most ~(2^LUAI_HASHLIMIT) bytes from a string to
** compute its hash
*/
#if !defined(LUAI_HASHLIMIT)
#define LUAI_HASHLIMIT        5
#endif

// lstring.h
LUAI_FUNC unsigned int luaS_hash (const char *str, size_t l, unsigned int seed);

// lstring.c
unsigned int luaS_hash (const char *str, size_t l, unsigned int seed) {
  unsigned int h = seed ^ cast(unsigned int, l);
  size_t l1;
  size_t step = (l >> LUAI_HASHLIMIT) + 1;
  for (l1 = l; l1 >= step; l1 -= step)
    h = h ^ ((h<<5) + (h>>2) + cast_byte(str[l1 - 1]));
  return h;
}

• str 　: 待哈希的字符串；

• l 　　 : 待哈希的字符串长度（字符数）；

• seed : 哈希算法随机种子；

• 随机种子

Hash DoS攻击：攻击者构造出上千万个拥有相同哈希值的不同字符串，用来数十倍地降低Lua从外部压入字符串到内部字符串表的效率。当Lua用于大量依赖字符串处理的服务（例如HTTP）的处理时，输入的字符串将不可控制，很容易被人恶意利用。

为了防止Hash DoS攻击的发生，Lua一方面将长字符串独立出来，大文本的输入字符串将不再通过哈希内部化进入全局字符串表中；另一方面使用一个随机种子用于字符串哈希值的计算，使得攻击者无法轻易构造出拥有相同哈希值的不同字符串。

随机种子是在创建虚拟机的global_State（全局状态机）时构造并存储在global_State中的。随机种子也是使用luaS_hash函数生成，它利用内存地址随机性以及一个用户可配置的一个随机量（luai_makeseed宏）同时来决定。

用户可以在luaconf.h中配置luai_makeseed来定义自己的随机方法，Lua默认是利用time函数获取系统当前时间来构造随机种子。luai_makeseed的默认行为有可能给调试带来一些困扰：由于字符串hash值的不同，程序每次运行过程中的内部布局将有一些细微变化，不过字符串池使用的是开散列算法，这个影响将非常小。如果用户希望让嵌入Lua的程序每次运行都严格一致，那么可以自定义luai_makeseed函数来实现。

// lstate.c
/*
** a macro to help the creation of a unique random seed when a state is
** created; the seed is used to randomize hashes.
*/
#if !defined(luai_makeseed)
#include <time.h>
#define luai_makeseed()        cast(unsigned int, time(NULL))
#endif

// lstate.c
/*
** Compute an initial seed as random as possible. Rely on Address Space
** Layout Randomization (if present) to increase randomness..
*/
#define addbuff(b,p,e) \
  { size_t t = cast(size_t, e); \
    memcpy(buff + p, &t, sizeof(t)); p += sizeof(t); }

static unsigned int makeseed (lua_State *L) {
  char buff[4 * sizeof(size_t)];
  unsigned int h = luai_makeseed();
  int p = 0;
  addbuff(buff, p, L);  /* heap variable */
  addbuff(buff, p, &h);  /* local variable */
  addbuff(buff, p, luaO_nilobject);  /* global variable */
  addbuff(buff, p, &lua_newstate);  /* public function */
  lua_assert(p == sizeof(buff));
  return luaS_hash(buff, p, h);
}

// lstate.c
LUA_API lua_State *lua_newstate (lua_Alloc f, void *ud) {
  int i;
  lua_State *L;
  global_State *g;
  LG *l = cast(LG *, (*f)(ud, NULL, LUA_TTHREAD, sizeof(LG)));
  if (l == NULL) return NULL;
  L = &l->l.l;
  g = &l->g;
  ......
  g->seed = makeseed(L);
  ......
  return L;
}

短字符串的内部化

Lua中所有的短字符串均被存放在全局状态表（global_State）的strt域中，strt是stringtable的简写，它是一个哈希表。

相同的短字符串在同一个lua_State中将只存在唯一一份实例，这被称为字符串的内部化。合并相同的字符串可以大量减少内存占用，缩短比较字符串的时间。由于相同的字符串只需要保存一份在内存中，当用这个字符串做键匹配时，比较字符串只需要比较地址是否相同就够了，而不必逐字节比较。下面将着重对stringtable进行分析。

• stringtable结构类型

// lstate.h
typedef struct stringtable {
  TString **hash;
  int nuse;  /* number of elements */
  int size;
} stringtable;

• hash : 字符串开散列算法哈希表，hash是一维数组指针，其中数组元素类型为TString *（指向TString类型对象指针），它并不是一个二维数组（数组元素类型为TString）指针；

• nuse : 字符串表当前字符串数量；

• size　: 字符串表最大字符串数量；

• stringtable存储结构图

• 短字符串内部化（散列过程描述）

首先求得传入短字符串的哈希值，然后将该哈希值与stringtable大小取模，从而得到该字符串在stringtable中存放位置（相同哈希值的字符串链表）；接着从该字符串链表的第一个位置开始，将链表中每个字符串与传入字符串比较字符串内容，如果相等说明传入字符串已经在表中使用；如果不相等说明不是同一个字符串，继续往后查找。如果字符串链表中都没有查找到，那么需要创建一个新的字符串。创建过程中，碰到哈希值相同的字符串，简单地串在同一个哈希位的链表上即可。简单地用一句话描述开散列的哈希过程：传入字符串被放入字符串表的时候，先检查一下表中有没有相同的字符串，如果有则复用已有的字符串，如果没有则创建一个新的字符串。

由于Lua的垃圾回收过程是分步完成的，而向stringtable添加新字符串在垃圾回收的任何步骤之间都可能发生，所以这个过程中需要检查表中的字符串是否已经死掉（标记为可垃圾回收）：有可能在标记完字符串死掉后，在下个步骤中又产生了相同的字符串导致这个字符串复活。

// lstring.c
/*
** checks whether short string exists and reuses it or creates a new one
*/
static TString *internshrstr (lua_State *L, const char *str, size_t l) {
  TString *ts;
  global_State *g = G(L);
  // 计算传入字符串哈希值
unsigned int h = luaS_hash(str, l, g->seed);
  // 找到目标位置字符串链表
TString **list = &g->strt.hash[lmod(h, g->strt.size)];
  // 在字符串链表搜索传入字符串
for (ts = *list; ts != NULL; ts = ts->hnext) {
    if (l == ts->len &&
        (memcmp(str, getstr(ts), l * sizeof(char)) == 0)) {
      /* found! */
      if (isdead(g, ts))  /* dead (but not collected yet)? */
        changewhite(ts);  /* resurrect it */
      return ts;
    }
  }
  if (g->strt.nuse >= g->strt.size && g->strt.size <= MAX_INT/2) {
    luaS_resize(L, g->strt.size * 2);
    list = &g->strt.hash[lmod(h, g->strt.size)];  /* recompute with new size */
  }
  // 没有找到创建新的字符串
  ts = createstrobj(L, str, l, LUA_TSHRSTR, h);
  ts->hnext = *list;
  *list = ts;
  g->strt.nuse++;
  return ts;
}

• stringtable的扩大及字符串的重新哈希

当stringtable中的字符串数量（stringtable.muse域）超过预定容量（stringtable.size域）时，说明stringtable太拥挤，许多字符串可能都哈希到同一个维度中去，这将会降低stringtable的遍历效率。这个时候需要调用luaS_resize方法将stringtable的哈希链表数组扩大，重新排列所有字符串的位置。

// lstring.h
LUAI_FUNC void luaS_resize (lua_State *L, int newsize);

// lstring.c
/*
** resizes the string table
*/
void luaS_resize (lua_State *L, int newsize) {
  int i;
  // 取得全局stringtable
stringtable *tb = &G(L)->strt;
  if (newsize > tb->size) {  /* grow table if needed */
    // 如果stringtable的新容量大于旧容量，重新分配
    luaM_reallocvector(L, tb->hash, tb->size, newsize, TString *);
    for (i = tb->size; i < newsize; i++)
      tb->hash[i] = NULL;
  }
  // 根据新容量进行重新哈希
for (i = 0; i < tb->size; i++) {  /* rehash */
    TString *p = tb->hash[i];
    tb->hash[i] = NULL;
    // 将每个哈希链表中的元素哈希到新的位置（头插法）
while (p) {  /* for each node in the list */
      TString *hnext = p->hnext;  /* save next */
      unsigned int h = lmod(p->hash, newsize);  /* new position */
      p->hnext = tb->hash[h];  /* chain it */
      tb->hash[h] = p;
      p = hnext;
    }
  }
  // 如果stringtable的新容量小于旧容量，那么要减小表的长度
if (newsize < tb->size) {  /* shrink table if needed */
    /* vanishing slice should be empty */
    lua_assert(tb->hash[newsize] == NULL && tb->hash[tb->size - 1] == NULL);
    luaM_reallocvector(L, tb->hash, tb->size, newsize, TString *);
  }
  tb->size = newsize;
}

stringtable初始大小由宏MINSTRTABSIZE控制，默认是64，用户可以在luaconf.h重新定义MINSTRTABSIZE宏来改变默认大小。在为stringtable初次分配空间的时候，调用的也是luaS_resize方法，将stringtable空间由0调整到MINSTRTABSIZE的大小。

// llimits.h
/* minimum size for the string table (must be power of 2) */
#if !defined(MINSTRTABSIZE)
#define MINSTRTABSIZE    64    /* minimum size for "predefined" strings */
#endif

// lstate.c
/*
** open parts of the state that may cause memory-allocation errors.
** ('g->version' != NULL flags that the state was completely build)
*/
static void f_luaopen (lua_State *L, void *ud) {
  global_State *g = G(L);
  UNUSED(ud);
  stack_init(L, L);  /* init stack */
  init_registry(L, g);
  luaS_resize(L, MINSTRTABSIZE);  /* initial size of string table */
  ...
}

// lstate.c
LUA_API lua_State *lua_newstate (lua_Alloc f, void *ud) {
  int i;
  lua_State *L;
  global_State *g;
  LG *l = cast(LG *, (*f)(ud, NULL, LUA_TTHREAD, sizeof(LG)));
  if (l == NULL) return NULL;
  L = &l->l.l;
  g = &l->g;
  ...
  g->strt.size = g->strt.nuse = 0;
  g->strt.hash = NULL;
  ...
  if (luaD_rawrunprotected(L, f_luaopen, NULL) != LUA_OK) {
    /* memory allocation error: free partial state */
    close_state(L);
    L = NULL;
  }
  return L;
}

stringtable在字符串内部化的过程中扩大的策略和STL中的vector比较类似：当空间不足时，大小扩大为当前空间的两倍大小。

// lstring.c
/*
** checks whether short string exists and reuses it or creates a new one
*/
static TString *internshrstr (lua_State *L, const char *str, size_t l) {
  TString *ts;
  global_State *g = G(L);