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lua的Debug库

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请
debug库并不给你一个可用的Lua 调试器,而是给你提供一些为Lua写一个调试器的方便。出于性能方面的考虑,关于这方面官方的接口是通过C API实现的。Lua中的debug库就是一种在Lua代码中直接访问这些C函数的方法。Debug库在一个debug表内声明了他所有的函数。
与其他的标准库不同的是,你应该尽可能少的是有debug库。首先,debug库中的一些函数性能比较低;第二,它破坏了语言的一些真理(sacred truths),比如你不能在定义一个局部变量的函数外部,访问这个变量。通常,在你的最终产品中,你不想打开这个debug库,或者你可能想删除这个 库:
debug = nil
debug库由两种函数组成:自省(introspective)函数和hooks。自省函数使得我们可以检查运行程序的某些方面,比如活动函数栈、当前执行代码的行号、本地变量的名和值。Hooks可以跟踪程序的执行情况。
Debug库中的一个重要的思想是栈级别(stack level)。一个栈级别就是一个指向在当前时刻正在活动的特殊函数的数字,也就是说,这个函数正在被调用但还没有返回。调用debug库的函数级别为 1,调用他(他指调用debug库的函数)的函数级别为2,以此类推。
23.1 自省(Introspective)
在debug库中主要的自省函数是debug.getinfo。他的第一个参数可以是一个函数或者栈级别。对于函数foo调用debug.getinfo(foo),将返回关于这个函数信息的一个表。这个表有下列一些域:
ü source,标明函数被定义的地方。如果函数在一个字符串内被定义(通过loadstring),source就是那个字符串。如果函数在一个文件中定义,source是@加上文件名。
ü short_src,source的简短版本(最多60个字符),记录一些有用的错误信息。
ü linedefined,source中函数被定义之处的行号。
ü what,标明函数类型。如果foo是一个普通得Lua函数,结果为 "Lua";如果是一个C函数,结果为 "C";如果是一个Lua的主chunk,结果为 "main"。
ü name,函数的合理名称。
ü namewhat,上一个字段代表的含义。这个字段的取值可能为:W"global"、"local"、"method"、"field",或者 ""(空字符串)。空字符串意味着Lua没有找到这个函数名。
ü nups,函数的upvalues的个数。
ü func,函数本身;详细情况看后面。
当foo是一个C函数的时候,Lua无法知道很多相关的信息,所以对这种函数,只有what、name、namewhat这几个域的值可用。
以数字 n调用debug.getinfo(n)时,返回在n级栈的活动函数的信息数据。比如,如果n=1,返回的是正在进行调用的那个函数的信息。(n=0表示 C函数getinfo本身)如果n比栈中活动函数的个数大的话,debug.getinfo返回nil。当你使用数字n调用debug.getinfo查 询活动函数的信息的时候,返回的结果table中有一个额外的域:currentline,即在那个时刻函数所在的行号。另外,func表示指定n级的活 动函数。
字段名的写法有些技巧。记住:因为在Lua中函数是第一类值,所以一个函数可能有多个函数名。查找指定值的函数的时候,Lua会首先在全局变量中查找,如 果没找到才会到调用这个函数的代码中看它是如何被调用的。后面这种情况只有在我们使用数字调用getinfo的时候才会起作用,也就是这个时候我们能够获 取调用相关的详细信息。
函数getinfo 的效率并不高。Lua以不消弱程序执行的方式保存debug信息(Lua keeps debug information in a form that does not impair program execution),效率被放在第二位。为了获取比较好地执行性能,getinfo可选的第二个参数可以用来指定选取哪些信息。指定了这个参数之后,程 序不会浪费时间去收集那些用户不关心的信息。这个参数的格式是一个字符串,每一个字母代表一种类型的信息,可用的字母的含义如下:
'n'

selects fields name and namewhat
'f'

selects field func
'S'

selects fields source, short_src, what, and linedefined
'l'

selects field currentline
'u'

selects field nup
下面的函数阐明了debug.getinfo的使用,函数打印一个活动栈的原始跟踪信息(traceback):
function traceback ()
local level = 1
while true do
local info = debug.getinfo(level, "Sl")
if not info then break end
if info.what == "C" then -- is a C function?
print(level, "C function")
else -- a Lua function
print(string.format("[%s]:%d",
info.short_src, info.currentline))
end
level = level + 1
end
end
不难改进这个函数,使得getinfo获取更多的数据,实际上debug库提供了一个改善的版本debug.traceback,与我们上面的函数不同的是,debug.traceback并不打印结果,而是返回一个字符串。
23.1.1访问局部变量
调用debug库的getlocal函数可以访问任何活动状态的局部变量。这个函数由两个参数:将要查询的函数的栈级别和变量的索引。函数有两个返回值: 变量名和变量当前值。如果指定的变量的索引大于活动变量个数,getlocal返回nil。如果指定的栈级别无效,函数会抛出错误。(你可以使用 debug.getinfo检查栈级别的有效性)
Lua对函数中所出现的所有局部变量依次计数,只有在当前函数的范围内是有效的局部变量才会被计数。比如,下面的代码
function foo (a,b)
local x
do local c = a - b end
local a = 1
while true do
local name, value = debug.getlocal(1, a)
if not name then break end
print(name, value)
a = a + 1
end
end

foo(10, 20)
结果为:
a 10
b 20
x nil
a 4
索引为1的变量是a,2是b,3是x,4是另一个a。在getlocal被调用的那一点,c已经超出了范围,name和value都不在范围内。(记住: 局部变量仅仅在他们被初始化之后才可见)也可以使用debug.setlocal修改一个局部变量的值,他的前两个参数是栈级别和变量索引,第三个参数是 变量的新值。这个函数返回一个变量名或者nil(如果变量索引超出范围)
23.1.2访问Upvalues
我们也可以通过debug库的getupvalue函数访问Lua函数的upvalues。和局部变量不同的是,即使函数不在活动状态他依然有 upvalues(这也就是闭包的意义所在)。所以,getupvalue的第一个参数不是栈级别而是一个函数(精确的说应该是一个闭包),第二个参数是 upvalue的索引。Lua按照upvalue在一个函数中被引用(refer)的顺序依次编号,因为一个函数不能有两个相同名字的upvalues, 所以这个顺序和upvalue并没什么关联(relevant)。
可以使用函数ebug.setupvalue修改upvalues。也许你已经猜到,他有三个参数:一个闭包,一个upvalues索引和一个新的 upvalue值。和setlocal类似,这个函数返回upvalue的名字,或者nil(如果upvalue索引超出索引范围)。
下面的代码显示了,在给定变量名的情况下,如何访问一个正在调用的函数的任意的给定变量的值:
function getvarvalue (name)
local value, found

-- try local variables
local i = 1
while true do
local n, v = debug.getlocal(2, i)
if not n then break end
if n == name then
value = v
found = true
end
i = i + 1
end
if found then return value end

-- try upvalues
local func = debug.getinfo(2).func
i = 1
while true do
local n, v = debug.getupvalue(func, i)
if not n then break end
if n == name then return v end
i = i + 1
end

-- not found; get global
return getfenv(func)[name]
end
首先,我们尝试这个变量是否为局部变量:如果对于给定名字的变量有多个变量,我们必须访问具有最高索引的那一个,所以我们总是需要遍历整个循环。如果在局 部变量中找不到指定名字的变量,我们尝试这个变量是否为upvalues:首先,我们使用debug.getinfo(2).func获取调用的函数,然 后遍历这个函数的upvalues,最后如果我们找到给定名字的变量,我们在全局变量中查找。注意调用debug.getlocal和 debug.getinfo的参数2(用来访问正在调用的函数)的用法。
23.2 Hooks
debug库的hook是这样一种机制:注册一个函数,用来在程序运行中某一事件到达时被调用。有四种可以触发一个hook的事件:当Lua调用一个函数 的时候call事件发生;每次函数返回的时候,return事件发生;Lua开始执行代码的新行时候,line事件发生;运行指定数目的指令之 后,count事件发生。Lua使用单个参数调用hooks,参数为一个描述产生调用的事件:"call"、"return"、"line" 或 "count"。另外,对于line事件,还可以传递第二个参数:新行号。我们在一个hook内总是可以使用debug.getinfo获取更多的信息。
使用带有两个或者三个参数的debug.sethook 函数来注册一个hook:第一个参数是hook函数;第二个参数是一个描述我们打算监控的事件的字符串;可选的第三个参数是一个数字,描述我们打算获取 count事件的频率。为了监控call、return和line事件,可以将他们的第一个字母('c'、'r' 或 'l')组合成一个mask字符串即可。要想关掉hooks,只需要不带参数地调用sethook即可。
下面的简单代码,是一个安装原始的跟踪器:打印解释器执行的每一个新行的行号:
debug.sethook(print, "l")
上面这一行代码,简单的将print函数作为hook函数,并指示Lua当line事件发生时调用print函数。可以使用getinfo将当前正在执行的文件名信息加上去,使得跟踪器稍微精致点的:
function trace (event, line)
local s = debug.getinfo(2).short_src
print(s .. ":" .. line)
end

debug.sethook(trace, "l")
23.3 Profiles
尽管debug库名字上看来是一个调式库,除了用于调式以外,还可以用于完成其他任务。这种常见的任务就是profiling。对于一个实时的 profile来说(For a profile with timing),最好使用C接口来完成:对于每一个hook过多的Lua调用代价太大并且通常会导致测量的结果不准确。然而,对于计数的profiles 而言,Lua代码可以很好的胜任。下面这部分我们将实现一个简单的profiler:列出在程序运行过程中,每一个函数被调用的次数。
我们程序的主要数据结构是两张表,一张关联函数和他们调用次数的表,一张关联函数和函数名的表。这两个表的索引下标是函数本身。
local Counters = {}
local Names = {}
在profiling之后,我们可以访问函数名数据,但是记住:在函数在活动状态的情况下,可以得到比较好的结果,因为那时候Lua会察看正在运行的函数的代码来查找指定的函数名。
现在我们定义hook函数,他的任务就是获取正在执行的函数并将对应的计数器加1;同时这个hook函数也收集函数名信息:
local function hook ()
local f = debug.getinfo(2, "f").func
if Counters[f] == nil then -- first time `f' is called?
Counters[f] = 1
Names[f] = debug.getinfo(2, "Sn")
else -- only increment the counter
Counters[f] = Counters[f] + 1
end
end
下一步就是使用这个hook运行程序,我们假设程序的主chunk在一个文件内,并且用户将这个文件名作为profiler的参数:
prompt> lua profiler main-prog
这种情况下,我们的文件名保存在arg[1],打开hook并运行文件:
local f = assert(loadfile(arg[1]))
debug.sethook(hook, "c") -- turn on the hook
f() -- run the main program
debug.sethook() -- turn off the hook
最后一步是显示结果,下一个函数为一个函数产生名称,因为在Lua中的函数名不确定,所以我们对每一个函数加上他的位置信息,型如file:line 。如果一个函数没有名字,那么我们只用它的位置表示。如果一个函数是C函数,我们只是用它的名字表示(他没有位置信息)。
function getname (func)
local n = Names[func]
if n.what == "C" then
return n.name
end
local loc = string.format("[%s]:%s",
n.short_src, n.linedefined)
if n.namewhat ~= "" then
return string.format("%s (%s)", loc, n.name)
else
return string.format("%s", loc)
end
end
最后,我们打印每一个函数和他的计数器:
for func, count in pairs(Counters) do
print(getname(func), count)
end
如果我们将我们的profiler应用到Section 10.2的马尔科夫链的例子上,我们得到如下结果:
[markov.lua]:4 884723
write 10000
[markov.lua]:0 (f) 1
read 31103
sub 884722
[markov.lua]:1 (allwords) 1
[markov.lua]:20 (prefix) 894723
find 915824
[markov.lua]:26 (insert) 884723
random 10000
sethook 1
insert 884723
那意味着第四行的匿名函数(在allwords内定义的迭代函数)被调用884,723次,write(io.write)被调用10,000次。

你可以对这个profiler进行一些改进,比如对输出排序、打印出比较好的函数名、改善输出格式。不过,这个基本的profiler已经很有用,并且可以作为很多高级工具的基础。

http://blog.csdn.net/kylin_p/article/details/5934964


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