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深入理解Lua虚拟机

原作者: [db:作者] 来自: [db:来源] 收藏 邀请

为了达到较高的执行效率,lua代码并不是直接被Lua解释器解释执行,而是会先编译为字节码,然后再交给lua虚拟机去执行

lua代码称为chunk,编译成的字节码则称为二进制chunkBinary chunk

lua.exe、wlua.exe解释器可直接执行lua代码(解释器内部会先将其编译成字节码),也可执行使用luac.exe将lua代码预编译(Precompiled)为字节码

使用预编译的字节码并不会加快脚本执行的速度,但可以加快脚本加载的速度,并在一定程度上保护源代码

luac.exe可作为编译器,把lua代码编译成字节码,同时可作为反编译器,分析字节码的内容

 

luac.exe -v  // 显示luac的版本号

luac.exe Hello.lua  // 在当前目录下,编译得到Hello.lua的二进制chunk文件luac.out(默认含调试符号)

luac.exe -o Hello.out Hello1.lua Hello2.lua // 在当前目录下,编译得到Hello1.lua和Hello2.lua的二进制chunk文件Hello.out(默认含调试符号)

luac.exe -s -o d:\Hello.out Hello.lua  // 编译得到Hello.lua的二进制chunk文件d:\Hello.out(去掉调试符号)

luac.exe -p Hello1.lua Hello2.lua  // 对Hello1.lua和Hello2.lua只进行语法检测(注:只会检查语法规则,不会检查变量、函数等是否定义和实现,函数参数返回值是否合法)

 

lua编译器以函数为单位对源代码进行编译,每个函数会被编译成一个称之为原型Prototype)的结构

原型主要包含6部分内容:函数基本信息(basic info:含参数数量、局部变量数量等信息)、字节码(bytecodes)、常量(constants)表、upvalue(闭包捕获的非局部变量)表、调试信息(debug info)、子函数原型列表(sub functions)

原型结构使用这种嵌套递归结构,来描述函数中定义的子函数

注:lua允许开发者可将语句写到文件的全局范围中,这是因为lua在编译时会将整个文件放到一个称之为main函数中,并以它为起点进行编译

Hello.lua源代码如下:

1 print ("hello")
2 
3 function add(a, b)
4     return a+b
5 end

 

编译得到的Hello.out的二进制为:

二进制chunk(Binary chunk)的格式并没有标准化,也没有任何官方文档对其进行说明,一切以lua官方实现的源代码为准。

其设计并没有考虑跨平台,对于需要超过一个字节表示的数据,必须要考虑大小端(Endianness)问题。

lua官方实现的做法比较简单:编译lua脚本时,直接按照本机的大小端方式生成二进制chunk文件,当加载二进制chunk文件时,会探测被加载文件的大小端方式,如果和本机不匹配,就拒绝加载.

二进制chunk格式设计也没有考虑不同lua版本之间的兼容问题,当加载二进制chunk文件时,会检测其版本号,如果和当前lua版本不匹配,就拒绝加载

另外,二进制chunk格式设计也没有被刻意设计得很紧凑。在某些情况下,一段lua代码编译成二进制chunk后,甚至会被文本形式的源代码还要大。

预编译成二进制chunk主要是为了提升加载速度,因此这也不是很大的问题.

 

头部字段

字段 字节数 解释
签名(signature) byte[4] 0x1B4C7561 二进制chunk文件的魔数,分别是ESC、L、u、a的ASCII码
版本号(version) byte 0x53

lua语言的版本号由3部分组成:大版本号(Major Version)、小版本号(Minor Version)和发布号(Release Version)

比如:当前lua的版本号为5.3.5,那么大版本号为5,小版本号为3、发布号为5

由于发布号的增加只是为了修复bug,不会对二进制chunk文件格式进行调整,因此版本号(version)只存储了大版本号和小版本号

格式号(format) byte 0x00

二进制chunk文件的格式号

lua虚拟机在加载二进制chunk时,会检查其格式号,如果和虚拟机本身的格式号不匹配,就会拒绝加载该文件

luacData byte[6] 0x19930D0A1A0A 其中前两个字节0x1993,是lua1.0发布的年份;后四个字节依次是回车符(0x0D)、换行符(0x0A)、替换符(0x1A)和另一个换行符
cintSize byte 0x04 cint数据类型size
sizeSize byte 0x04 size_t数据类型size
instructionSize byte 0x04 lua虚拟机指令size
luaIntegerSize byte 0x08 lua整型size
luaNumberSize byte 0x08 lua浮点数size
lua整数值(luacInt) int64 0x7856000000000000 加载二进制chunk文件时,会用该字段检测其大小端和本机是否匹配
格式号(luacNum) float64 0x0000000000287740

浮点数值为370.5

加载二进制chunk文件时,会用该字段检测其使用的浮点数格式(目前主流平台一般都采用IEEE754浮点数格式)

嵌套的函数原型: 

0B4048656C6C6F2E6C7561 源文件名Hello.lua;-s去掉调试信息后,该项数值为:00
main    00000000 00000000 main函数起始行列号
00 函数参数个数
01 函数为不定参数
02 寄存器数量
06000000 函数指令数目
06004000 第1条指令
41400000 第2条指令
24400001 第3条指令
2C000000 第4条指令
08000081 第5条指令
26008000 第6条指令
03000000 常量数目
04 第1个常量tag,04表示字符串
067072696E74 第1个常量内容
04 第2个常量tag,04表示字符串
0668656C6C6F 第2个常量内容
04 第3个常量tag,04表示字符串
04616464 第3个常量内容
01000000 Upvalue数目
0100 第1个Upvalue
01000000 子函数原型数目
add   03000000 05000000 add函数起始行列号
02 函数参数个数
00 函数为不定参数
03 寄存器数量
03000000 函数指令数目
8D400000 第1条指令
A6000001 第2条指令
26008000 第3条指令
00000000 常量数目
00000000 Upvalue数目
00000000 子函数原型数目
03000000 行号数目;-s去掉调试信息后,该项数值为:00000000;为0时下面的信息也都没有
04000000 第1条指令行号
04000000 第2条指令行号
05000000 第3条指令行号
02000000 局部变量数目;-s去掉调试信息后,该项数值为:00000000;为0时下面的信息也都没有
0261 第1个局部变量名称
00000000 第1个局部变量起始指令索引
03000000 第1个局部变量终止指令索引
0262 第2个局部变量名称
00000000 第2个局部变量起始指令索引
03000000 第2个局部变量终止指令索引
00000000 Upvalue名称数目;-s去掉调试信息后,该项数值为:00000000;为0时下面的信息也都没有
06000000 行号数目;-s去掉调试信息后,该项数值为:00000000;为0时下面的信息也都没有
01000000 第1条指令行号
01000000 第2条指令行号
01000000 第3条指令行号
05000000 第4条指令行号
03000000 第5条指令行号
05000000 第6条指令行号
00000000 局部变量数目;-s去掉调试信息后,该项数值为:00000000;为0时下面的信息也都没有
01000000 Upvalue名称数目;-s去掉调试信息后,该项数值为:00000000;为0时下面的信息也都没有
055F454E56 第1个Upvalue名称

注1:二进制chunk中的字符串分为三种情况:

①NULL字符串用0x00表示 

②长度小于等于253(0xFD)的字符串,先用1个byte存储字符串长度+1的数值,然后是字节数组 

③长度大于等于254(0xFE)的字符串,第一个字节是0xFF,后面跟一个8字节size_t类型存储字符串长度+1的数值,然后是字节数组 

注2:常量tag对应表

tag lua字面量类型 存储类型
0x00 nil 不存储
0x01 boolean 字节(0、1)
0x03 number lua浮点数
0x13 integer lua整数
0x04 string 短字符串
0x14 string 长字符串

 

查看二进制chunk中的所有函数(精简模式): 

luac.exe -l Hello.lua

luac.exe -l Hello.out

注1:每个函数信息包括两个部分:前面两行是函数的基本信息,后面是函数的指令列表

注2:函数的基本信息包括:函数名称、函数的起始行列号、函数包含的指令数量、函数地址

        函数的参数params个数(0+表示函数为不固定参数)、寄存器slots数量、upvalue数量、局部变量locals数量、常量constants数量、子函数functions数量

注3:指令列表里的每一条指令包含指令序号、对应代码行号、操作码和操作数。分号后为luac生成的注释,以便于我们理解指令

注4:整个文件内容被放置到了main函数中,并以它作为嵌套起点

 

查看二进制chunk中的所有函数(详细模式): 

luac.exe -l -l Hello.lua  注:参数为2个-l

luac.exe -l -l Hello.out  注:详细模式下,luac会把常量表、局部变量表和upvalue表的信息也打印出来 

main <Test2.lua:0,0> (6 instructions at 0046e528)
0+ params, 2 slots, 1 upvalue, 0 locals, 3 constants, 1 function
        序号    代码行    指令
        1       [1]     GETTABUP        0 0 -1  ; _ENV "print"   //GETTABUP A B C  //将upvalues表索引为B:0的upvalue(即:_ENV)中key为常量表索引为C:-1的(即print),放到寄存器索引为A:0的地方
        2       [1]     LOADK           1 -2    ; "hello"  //LOADK A Bx  //将常量表索引为Bx:-2的hello加载到寄存器索引为A:1的地方
        3       [1]     CALL            0 2 1    ; //CALL A B C  //调用寄存器索引为A:0的函数,参数个数为B:2减1(即1个),C:1表示无返回值
        4       [5]     CLOSURE         0 0     ; 0046e728      //CLOSURE A Bx  //将子函数原型列表索引为Bx:0的函数地址,放到寄存器索引为A:0的地方
        5       [3]     SETTABUP        0 -3 0  ; _ENV "add"   //SETTABUP A B C  //将upvalues表索引为A:0的upvalue(即:_ENV)中key为常量表索引为B:-3(即add),设置为寄存器索引为C:0指向的值
        6       [5]     RETURN          0 1        ; //RETURN A B   //B:1表示无返回值
constants (3) for 0046e528:
        序号    常量名
        1       "print"
        2       "hello"
        3       "add"
locals (0) for 0046e528:
upvalues (1) for 0046e528:
        序号    upvalue名    是否为直接外围函数的局部变量    在外围函数调用帧的索引
        0       _ENV        1                               0

function <Test2.lua:3,5> (3 instructions at 0046e728)
2 params, 3 slots, 0 upvalues, 2 locals, 0 constants, 0 functions
        序号    代码行    指令
        1       [4]     ADD             2 0 1    ; //ADD A B C  //将寄存器索引为0、1的两个数相加得到的结果放到寄存器索引为2的地方
        2       [4]     RETURN          2 2        ; //RETURN A B //B:2表示有一个返回值  A:2表示返回值在寄存器索引为2的地方
        3       [5]     RETURN          0 1        ; //RETURN A B //B:1表示无返回值
constants (0) for 0046e728:
locals (2) for 0046e728:
    寄存器索引    起始指令序号  终止指令序号  -1得到实际指令序号    
        0       a       1       4        ; a变量的指令范围为[0, 3],起始为0表示为传入的参数变量
        1       b       1       4        ; b变量的指令范围为[0, 3]
upvalues (0) for 0046e728:

 

luac.exe -l -  // 从标准设备读入脚本,输完后按回车,然后按Ctrl+Z并回车,会打印出输入内容对应的二进制chunk内容  注:进入输入模式后可按Ctrl+C强制退出

luac.exe -l -- // 使用上次输入,打印出二进制chunk内容

luac.exe -l -l -- // 使用上次输入,详细模式下打印出二进制chunk内容(参数为2个-l)

 

Stack Based VM  vs Register Based VM

高级编程语言的虚拟机是利用软件技术对硬件进行的模拟和抽象。按照实现方式,可分为两类:基于栈(Stack Based)和基于寄存器(Register Based)。

Dalvik是基于寄存器的虚拟机,Java、.NET CLR、Python、Ruby、Lua5.0之前的版本的虚拟机都是基于栈的虚拟机;从5.0版本开始,Lua的虚拟机改成了基于寄存器的虚拟机。

 

一个简单的加法赋值运算:a=b+c

 

基于栈的虚拟机,会转化成如下指令

push b;     // 将变量b的值压入stack
push c;     // 将变量c的值压入stack
add;        // 将stack顶部的两个值弹出后相加,然后将结果压入stack顶
mov a;      // 将stack顶部结果放到a中

所有的指令执行,都是基于一个操作数栈的。你想要执行任何指令时,对不起,得先入栈,然后算完了再给我出栈。

总的来说,就是抽象出了一个高度可移植的操作数栈,所有代码都会被编译成字节码,然后字节码就是在玩这个栈。 好处是实现简单,移植性强。

坏处是指令条数比较多,数据转移次数比较多,因为每一次入栈出栈都牵涉数据的转移。

 

基于寄存器的虚拟机,会转化成如下指令

add a b c; // 将b与c对应的寄存器的值相加,将结果保存在a对应的寄存器中

没有操作数栈这一概念,但是会有许多的虚拟寄存器。这类虚拟寄存器有别于CPU的寄存器,因为CPU寄存器往往是定址的(比如DX本身就是能存东西),而寄存器式的虚拟机中的寄存器通常有两层含义:

(1)寄存器别名(比如lua里的RA、RB、RC、RBx等),它们往往只是起到一个地址映射的功能,它会根据指令中跟操作数相关的字段计算出操作数实际的内存地址,从而取出操作数进行计算;

(2)实际寄存器,有点类似操作数栈,也是一个全局的运行时栈,只不过这个栈是跟函数走的,一个函数对应一个栈帧,栈帧里每个slot就是一个寄存器,第1步中通过别名映射后的地址就是每个slot的地址。

好处是指令条数少,数据转移次数少。坏处是单挑指令长度较长。

具体来看,lua里的实际寄存器数组是用TValue结构的栈来模拟的,这个栈也是lua和C进行交互的虚拟栈。

 

lua指令集

Lua虚拟机的指令集为定长(Fixed-width)指令集,每条指令占4个字节(32bits),其中操作码(OpCode)占6bits,操作数(Operand)使用剩余的26bits

Lua5.3版本共有47条指令,按功能可分为6大类:常量加载指令、运算符相关指令、循环和跳转指令、函数调用相关指令、表操作指令和Upvalue操作指令

按编码模式分为4类:iABC(39)、iABx(3)、iAsBx(4)、iAx(1)

4种模式中,只有iAsBx下的sBx操作数会被解释成有符号整数,其他情况下操作数均被解释为无符号整数

操作数A主要用来表示目标寄存器索引,其他操作数按表示信息可分为4种类型:OpArgN、OpArgU、OpArgR、OpArgK

类型 示例 说明
OpArgN

B:1 C A:3 MOVE

不表示任何信息,不会被使用

MOVE指令的C操作数为OpArgN类型

OpArgR

B:1 C A:3 MOVE

B:2 C:4 A:1 CONCAT

iABC指令中的B、C操作数,表示寄存器索引
sBx:-3 A:0 FORLOOP iAsBx指令中的sBx操作数,表示跳转偏移
OpArgK

Bx:2 A:4 LOADK

LOADK指令中的Bx操作数,表示常量表索引
B:0x001 C:0x100 A:4 ADD

iABC指令中的B、C操作数

B、C操作数只能使用9bits中的低8位

最高位为1,表示常量表索引

最高位为0,表示寄存器索引

OpArgU

B:0 C:1 A:2 LOADBOOL

表示布尔值、整数值、Upvalue索引、子函数索引等

 

Lua栈索引

注1:绝对索引是从1开始由栈底到栈顶依次增长的

注2:相对索引是从-1开始由栈顶到栈底依次递减的(在lua API函数内部会将相对索引转换为绝对索引)

注3:上图栈的容量为7,栈顶绝对索引为5,有效索引范围为:[1, 5],可接受索引范围为:[1, 7]

注4:Lua虚拟机指令里寄存器索引是从0开始的,而Lua API里的栈索引是从1开始的,因此当需要把寄存器索引当成栈索引使用时,要进行+1

 

Lua State

 

指令表

lua的所有指令执行操作在lvm.cvoid luaV_execute (lua_State *L)函数中:

指令名称 类型 操作码

操作数类型

(B|C|A、Bx|A、sBx|A、Ax)

示例说明 公式
MOVE iABC 0x00 OpArgR OpArgN 目标寄存器idx

B:1 C A:3 MOVE 

把源寄存器(索引由B指定)里的值移动到目标寄存器(索引有A指定)

常用于局部变量赋值和参数传递

R(A) := R(B) 
LOADK iABx 0x01 OpArgK 目标寄存器idx

Bx:2 A:4 LOADK

给单个寄存器(索引由A指定)设置成常量(其在常量表的索引由Bx指定)

将常量表里的某个常量加载到指定寄存器

在lua中,数值型、字符串型等局部变量赋初始值 (数字和字符串会放到常量表中)

R(A) := Kst(Bx) 
LOADKX iABx 0x02 OpArgN 目标寄存器idx

Bx A:4 LOADKX

Ax:585028 EXTRAARG

LOADK使用Bx(18bits,最大无符号整数为262143)表示常量表索引

当将lua作数据描述语言使用时,常量表可能会超过这个限制,

为了应对这种情况,lua提供了LOADKX指令

LOADKX指令需要和EXTRAAG指令搭配使用,用后者的Ax(26bits)操作数来指定常量索引

R(A) := Kst(Ax)  
LOADBOOL iABC 0x03 OpArgU OpArgU 目标寄存器idx

B:0 C:1 A:2 LOADBOOL

给单个寄存器(索引由A指定)设置布尔值(布尔值由B指定)

如果寄存器C为非0则跳过下一条指令

 
R(A) := (bool)B  if(C) pc++ 
LOADNIL iABC 0x04 OpArgU OpArgN 目标寄存器idx

B:4 C A:0 LOADNIL

将序号[A,A+B]连续B+1个寄存器设置成nil值 

用于给连续n个寄存器放置nil值 

在lua中,局部变量的默认初始值为nil,LOADNIL指令常用于给连续n个局部变量设置初始值

R(A), R(A+1), ... ,R(A+B) := nil

GETUPVAL iABC 0x05 OpArgU OpArgN 目标寄存器idx

B:1 C A:3 GETUPVAL

把当前闭包的某个Upvalue值(索引由B指定)拷贝到目标寄存器(索引由A指定)中 

 

R(A) := Upvalue[B] 
GETTABUP iABC 0x06 OpArgU OpArgK 目标寄存器idx

B:0 C:0x002 A:3 GETTABUP

把当前闭包的某个Upvalue值(索引由B指定)拷贝到目标寄存器(索引由A指定)中

与GETUPVAL不同的是,Upvalue从表里取值(键由C指定,为寄存器或常量表索引)

 

R(A) := Upvalue[B][RK(C)]
GETTABLE iABC 0x07 OpArgR OpArgK 目标寄存器idx

B:0 C:0x002 A:3 GETTABLE

把表中某个值拷贝到目标寄存器(索引由A指定)中

表所在寄存器索引由B指定,键由C(为寄存器或常量表索引)指定

 
R(A) := R[B][RK(C)]
SETTABUP iABC 0x08 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx

B:0x002 C:0x003 A:0 SETTABUP

设置当前闭包的某个Upvalue值(索引由A指定)为寄存器或常量表的某个值(索引由C指定)

与SETUPVAL不同的是,Upvalue从表里取值(键由B指定,为寄存器或常量表索引)

 

Upvalue[A][RK(B)] := RK(C)
SETUPVAL iABC 0x09 OpArgU OpArgN 目标寄存器idx

B:0 C A:3 SETUPVAL

设置当前闭包的某个Upvalue值(索引由B指定)为寄存器的某个值(索引由A指定)

Upvalue[B] := R(A)
SETTABLE iABC 0x0A OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x002 C:0x003 A:1 SETTABLE

给寄存器中的表(索引由A指定)的某个键进行赋值

键和值分别由B和C指定(为寄存器或常量表索引)

R(A)[RK(B)] := RK(C)
NEWTABLE iABC 0x0B OpArgU OpArgU 目标寄存器idx 

B:0 C:2 A:4 NEWTABLE

创建空表,并将其放入指定寄存器(索引有A指定)

表的初始数组容量和哈希表容量分别有B和C指定

R(A) := {} (size = B, C)
SELF iABC 0x0C OpArgR OpArgK 目标寄存器idx 

B:1 C:0x100 A:2 SELF

把寄存器中对象(索引由B指定)和常量表中方法(索引由C指定)拷贝到相邻的两个目标寄存器中

起始目标寄存器的索引由A指定

R(A+1) := R(B)

R(A) := R(B)[RK(C)]

ADD(+,加) iABC 0x0D OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 ADD

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行相加,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) + RK(C)

SUB

(-,减)

iABC 0x0E OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 SUB

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行相减,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) - RK(C)

MUL

(*,乘)

iABC 0x0F OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 MUL

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行相乘,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) * RK(C)

MOD

(%,求模)

iABC 0x10 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 MOD

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行求摸运算,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) % RK(C)

POW

(^,求幂)

iABC 0x11 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 POW

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行求幂运算,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) ^ RK(C)

DIV

(/,除)

iABC 0x12 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 DIV

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行相除,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) / RK(C)

IDIV

(//,整除)

iABC 0x13 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 IDIV

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行相整除,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) // RK(C)

BAND

(&,与)

iABC 0x14 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 BAND

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行求与操作,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) & RK(C)

BOR

(|,或)

iABC 0x15 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 BOR

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行求或操作,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) | RK(C)

BXOR

(~,异或)

iABC 0x16 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 BXOR

对两个寄存器或常量值(索引由B和C指定)进行求异或操作,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

 

R(A) := RK(B) ~ RK(C)

SHL

(<<,左移)

iABC 0x17 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 SHL

索引由B指定的寄存器或常量值进行左移位操作(移动位数的索引由C指定的寄存器或常量值)

并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) << RK(C)

SHR

(>>,右移)

iABC 0x18 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:4 SHR

索引由B指定的寄存器或常量值进行右移位操作(移动位数的索引由C指定的寄存器或常量值)

并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := RK(B) >> RK(C)

UNM

(-,取负数)

iABC 0x19 OpArgR OpArgN 目标寄存器idx 

B:1 C A:3 UNM

对寄存器(索引由B指定)进行取负数操作,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := - R(B)

BNOT

(~,取反)

iABC 0x1A OpArgR OpArgN 目标寄存器idx 

B:1 C A:3 BNOT

对寄存器(索引由B指定)进行取反操作,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := ~ R(B)
NOT iABC 0x1B OpArgR OpArgN 目标寄存器idx 

B:1 C A:3 NOT

对寄存器(索引由B指定)进行求非操作,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := not R(B)
LEN iABC 0x1C OpArgR OpArgN 目标寄存器idx 

B:1 C A:3 LEN

对寄存器(索引由B指定)进行求长度操作,并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := length of R(B)
CONCAT iABC 0x1D OpArgR OpArgR 目标寄存器idx 

B:2 C:4 A:1 CONCAT

将连续n个寄存器(起始索引和终止索引由B和C指定)里的值进行拼接

并将结果放入另一个寄存器中(索引由A指定)

R(A) := R(B) .. ... .. R(C)
JMP iAsBx 0x1E OpArgR 目标寄存器idx 

sBx:-1 A JMP

当sBx不为0时,进行无条件跳转

执行pc = pc + sBx(sBx为-1,表示将当前指令再执行一次  注:这将是一个死循环)

sBx:0 A:0x001 JMP

当sBx为0时(继续执行后面指令,不跳转)

用于闭合处于开启状态的Upvalue(即:把即将销毁的局部变量的值复制出来,并更新到某个Upvalue中)

当前闭包的某个Upvalue值的索引由A指定

 
EQ(==) iABC 0x1F OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:1 EQ

寄存器或常量表(索引由B指定)是否等于寄存器或常量表(索引由C指定)

若结果等于操作数A,则跳过下一条指令

if ((RK(B) == RK(C)) pc++
LT(<) iABC 0x20 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:1 LT

寄存器或常量表(索引由B指定)是否小于寄存器或常量表(索引由C指定)

若结果等于操作数A,则跳过下一条指令

if ((RK(B) < RK(C)) pc++ 
LE(<=) iABC 0x21 OpArgK OpArgK 目标寄存器idx 

B:0x001 C:0x100 A:1 LE

寄存器或常量表(索引由B指定)是否小于等于寄存器或常量表(索引由C指定)

若结果等于操作数A,则跳过下一条指令

if ((RK(B) <= RK(C)) pc++
TEST iABC 0x22 OpArgN OpArgU 目标寄存器idx 

B C:0 A:1 TEST

判断寄存器(索引由A指定)中的值转换为bool值后,是否和操作数C表示的bool值一致

若结果不一致,则跳过下一条指令

if not (R(A) <=> C) pc++ 

注:<=>表示按bool值比较

TESTSET iABC 0x23 OpArgR OpArgU 目标寄存器idx 

B:3  C:0 A:1 TESTSET

判断寄存器(索引由B指定)中的值转换为bool值后,是否和操作数C表示的bool值一致

若结果一致,将寄存器(索引由B指定)中的值复制到寄存器中(索引由A指定),否则跳过下一条指令

  

if (R(B) <=> C)

   R(A) := R(B)

else

   pc++ 

注:<=>表示按bool值比较

CALL

iABC 0x24 OpArgU OpArgU 目标寄存器idx 

B:5 C:4 A:0 CALL

被调用函数位于寄存器中(索引由A指定)

传递给被调用函数的参数值也在寄存器中,紧挨着被调用函数,参数个数为操作数B指定

① B==0,接受其他函数全部返回来的参数

② B>0,参数个数为B-1

函数调用结束后,原先存放函数和参数值的寄存器会被返回值占据,具体多少个返回值由操作数C指定

① C==0,将返回值全部返回给接收者

② C==1,无返回值

③ C>1,返回值的数量为C-1

R(A), ... ,
TAILCALL iABC 0x25 OpArgU OpArgU 目标寄存器idx 

函数调用一般通过调用栈来实现。用这种方法,每调用一个函数都会产生一个调用帧。

如果调用层次太深(如递归),容易导致栈溢出。尾递归优化则可以让我们发挥递归函数调用威力的同时,避免调用栈溢出。

利用这种优化,被调函数可以重用主调函数的调用帧,因此可有效缓解调用栈溢出症状。不过该优化只适合某些特定情况。

如:return f(args) 会被编译器优化成TAILCALL指令

return R(A)(R(A+1), ... , R(A+B-1))
RETURN iABC 0x26 OpArgU OpArgN 目标寄存器idx 

B:4 C  A:2 RETURN

把存放在连续多个寄存器里的值返回给父函数

其中第一个寄存器的索引由操作数A指定,寄存器数量由操作数B指定,操作数C没有使用

 

需要将返回值推入栈顶

① B==1,不需要返回任何值

② B > 1,需要返回B-1个值;这些值已经在寄存器中了,只用再将它们复制到栈顶即可

③ B==0,一部分返回值已经在栈顶了,只需将另一部分也推入栈顶即可

return R(A),...,R(A+B-2)

FORLOOP iAsBx 0x27 OpArgR 目标寄存器idx 

数值for循环:用于按一定步长遍历某个范围内的数值  如:for i=1,100,2  do  f()  end // 初始值为1,步长为2,上限为100

 

该指令先给i加上步长,然后判断i是否在范围之内。若已经超出范围,则循环结束;若为超出范围,则将数值拷贝给用户定义的局部变量

然后跳转到循环体内部开始执行具体的代码块

R(A) += R(A+2)

if R(A) <?= R(A+1) 

    pc+=sBx

    R(A+3)=R(A)

注:当步长为正数时<?=为<=

      当步长为负数时<?=为>=

FORPREP iAsBx 0x28 OpArgR 目标寄存器idx 

数值for循环:用于按一定步长遍历某个范围内的数值  如:for i=1,100,2  do  f()  end // 初始值为1,步长为2,上限为100

 

该指令的目的是在循环之前预先将i减去步长(得到-1),然后跳转到FORLOOP指令正式开始循环 

R(A)-=R(A+2)

pc+=sBx

TFORCALL iABC 0x29 OpArgN OpArgU 目标寄存器idx 

通用for循环: for k,v in pairs(t) do print(k,v) end

 

编译器使用的第一个特殊变量(generator):f存放的是迭代器,其他两个特殊变量(state):s、(control):var来调用迭代器

把结果保存在用户定义的变量k、v中

R(A+3),...,R(A+2+C) := R(A)(R(A+1),R(A+2))
TFORLOOP iAsBx 0x2A OpArgR 目标寄存器idx 

通用for循环: for k,v in pairs(t) do print(k,v) end

 

若迭代器返回的第一个值(变量k)不是nil,则把该值拷贝到(control):var,然后跳转到循环体;若为nil,则循环结束

if R(A+1) ~= nil

   R(A)=R(A+1)

   pc+=sBx

SETLIST iABC 0x2B OpArgU OpArgU 目标寄存器idx 

SETTABLE是通用指令,每次只处理一个键值对,具体操作交给表去处理,并不关心实际写入的是表的hash部分还是数组部分。

SETLIST则是专门给数组准备的,用于按索引批量设置数组元素。其中数组位于寄存器中,索引由操作数A指定;

需要写入数组的一系列值也在寄存器中,紧挨着数组,数量由操作数B指定;数组起始索引则由操作数C指定。

 

因为C操作数只有9bits,所以直接用它表示数组索引显然不够用。

这里解决办法是让C操作数保存批次数,然后用批次数乘上批大小(FPF,默认为50)就可以算出数组的起始索引。

因此,C操作数能表示的最大索引为25600(50*512)

当数组长度大于25600时,SETLIST指令后会跟一条EXTRAARG指令,用其Ax操作数来保存批次数。

综上,C>0,表示的是批次数+1,否则,真正批次数存放在后续的EXTRAARG指令中。

 

操作数B为0时,当表构造器的最后一个元素是函数调用或者vararg表达式时,Lua会把它们产生的所有值都收集起来供SETLIST使用

R(A)[(C-1)*FPF+i] := R(A+i)

1 <= i <= B

CLOSURE iABx 0x2C OpArgU OpArgN 目标寄存器idx 

把当前Lua函数的子函数原型实例化为闭包,放入由操作数A指定的寄存器中

子函数原型来自于当前函数原型的子函数原型表,索引由操作数Bx指定

 

下图为将prototypes表中索引为1的g子函数,放入索引为4的寄存器中

R(A) := closure(KPROTO[Bx])
VARARG iABC 0x2D OpArgU OpArgN 目标寄存器idx 

把传递给当前函数的变长参数加载到连续多个寄存器中。

其中第一个寄存器的索引由操作数A指定,寄存器数量由操作数B指定,操作数C没有使用

操作数B若大于1,表示把B-1个vararg参数复制到寄存器中,否则只能等于0

R(A),R(A+1),...R(A+B-2)=vararg
EXTRAARG iAx 0x2E OpArgU

Ax:67108864 EXTRAARG

Ax有26bits,用来指定常量索引,可存放最大无符号整数为67108864,可满足大部分情况的需要了

 

 

参考

《自己动手实现Lua》源代码

Lua设计与实现--虚拟机篇

Lua 5.3 Bytecode Reference 

Lua 源码解析 

Lua虚拟机栈结构及相关数据结构 

 


鲜花

握手

雷人

路过

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