lua执行字节码的过程介绍

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前面一篇文章中介绍了lua给下面代码生成最终的字节码的整个过程，这次我们来看看lua vm执行这些字节码的过程。

1 foo = "bar"
2 local a, b = "a", "b"
3 foo = a

生成的字节码如下所示：

之前lua是在luaY_parser函数(入口)中完成了lua脚本的解析生成字节码的整个过程的，在生成了main func(过程见“lua解析赋值类型代码的过程“)后luaY_parser会返回一个Proto结构体指针tf，Proto结构将描述整个main func的所有信息。

 1 //如果此字符是LUA_SIGNATURE中的第一个字符说明文件内容是预编译好的文件内容，因此利用函数luaU_undump来加载一个预编译后的代码块
 2   //否则是未编译的脚本源码，利用luaY_parser来对源码进行parse
 3   tf = ((c == LUA_SIGNATURE[0]) ? luaU_undump : luaY_parser)(L, p->z,
 4                                                              &p->buff, p->name);
 5   cl = luaF_newLclosure(L, tf->nups, hvalue(gt(L)));
 6   cl->l.p = tf;
 7   for (i = 0; i < tf->nups; i++)  /* initialize eventual upvalues */
 8     cl->l.upvals[i] = luaF_newupval(L);
 9   setclvalue(L, L->top, cl);
10   incr_top(L);

接下来第5行，函数luaF_newLclosure生成了一个Closure结构体来表示lua的closure，然后下一行将Proto结构体地址传给cl保存，接下来的循环里cl的upvalue数组记录下main func中的upvalue，然后setclvalue函数将cl放入到lua stack的栈顶上，incr_top将栈顶L->top加一。此时lua stack的顶部存放了包裹了main func的closure结构体，下面lua将会调用lua_pcall函数来执行这个closure了，也即vm加载整个生成的字节码并加以解释。

 1 LUA_API int lua_pcall (lua_State *L, int nargs, int nresults, int errfunc) {
 2   struct CallS c;
 3   //... ...
 4   c.func = L->top - (nargs+1);  /* function to be called */
 5   c.nresults = nresults;
 6   status = luaD_pcall(L, f_call, &c, savestack(L, c.func), func);
 7   //... ...
 8 }
 9 /*
10 ** Execute a protected call.
11 */
12 struct CallS {  /* data to `f_call' */
13   StkId func;
14   int nresults;
15 };

首先第4行根据要执行的函数参数数量和L->top的值来算出function在lua stack中的位置并将其保存到CallS结构体中，其中CallS结构体中的StkId类型为stack下标类型。接着第6行将c和f_call函数一起传入luaD_pcall函数中，luaD_pcall函数执行一些标志的设置后调用函数luaD_rawrunprotected，函数luaD_rawrunprotected内部调用f_call并将c作为其参数传入。如下所示：

1 static void f_call (lua_State *L, void *ud) {
2   struct CallS *c = cast(struct CallS *, ud);
3   luaD_call(L, c->func, c->nresults);
4 }

在luaD_call中首先判断lua此时是否到达了函数调用层次的最大值，超过这报错否则判断要执行的函数是不是lua function，是的话就调用luaV_execute函数来运行vm执行字节码。

 1 void luaD_call (lua_State *L, StkId func, int nResults) {
 2   if (++L->nCcalls >= LUAI_MAXCCALLS) {
 3     if (L->nCcalls == LUAI_MAXCCALLS)
 4       luaG_runerror(L, "C stack overflow");
 5     else if (L->nCcalls >= (LUAI_MAXCCALLS + (LUAI_MAXCCALLS>>3)))
 6       luaD_throw(L, LUA_ERRERR);  /* error while handing stack error */
 7   }
 8   if (luaD_precall(L, func, nResults) == PCRLUA)  /* is a Lua function? */
 9     luaV_execute(L, 1);  /* call it */
10   L->nCcalls--;
11   luaC_checkGC(L);
12 }

luaV_execute函数是vm执行字节码的核心过程，整个函数约有400行代码，由于整个过程分支太多，我们只讲解示例中的字节码解析过程。

 1 void luaV_execute (lua_State *L, int nexeccalls) {
 2   LClosure *cl;
 3   StkId base;
 4   TValue *k;
 5   const Instruction *pc;
 6  reentry:  /* entry point */
 7   lua_assert(isLua(L->ci));
 8   pc = L->savedpc;
 9   cl = &clvalue(L->ci->func)->l;
10   base = L->base;
11   k = cl->p->k;
12 //... ...

L->savedpc为字节码数组的指针，因此pc保存了当前要执行字节码的下标，clvalue萃取出当前要执行的lua function对应的closure，k指向了当前function的常量数组。

下面先来看看vm解释loadk01字节码的过程。

 1 /* main loop of interpreter */
 2   for (;;) {
 3     const Instruction i = *pc++;
 4     StkId ra;
 5     //... ...
 6     ra = RA(i);
 7     //... ...
 8     switch (GET_OPCODE(i)) {
 9       //... ...
10       case OP_LOADK: {
11         setobj2s(L, ra, KBx(i));
12         continue;
13       }
14 //... ...

第3行i保存了当前要执行的字节码，同时pc指向下一条字节码，第6行ra保存了通过宏RA萃取出的字节码中的a部分并与function stack的base相加得出的stack中的值；第8行Get_OPCODE宏萃取出字节码i的类型，结果是OP_LOADK，因此调用了setobj2s函数，其中KBx宏萃取出字节码i的bx部分并与function的常量数组地址相加得出的常量值，这里ra指向了function stack中相应的位置，KBx(i)部分指向了当前function中常量数组中存放的常量“bar”。

1 /* from stack to (same) stack */
2 #define setobjs2s    setobj
3 /* to stack (not from same stack) */
4 #define setobj2s    setobj
5 
6 #define setobj(L,obj1,obj2) \
7   { const TValue *o2=(obj2); TValue *o1=(obj1); \
8     o1->value = o2->value; o1->tt=o2->tt; \
9     checkliveness(G(L),o1); }

obj1为ra，obj2为KBx结果。可以看到第7行将这两个值转换为了TValue，并将o2的value设为o1的value，o2的值的类型设为o1的类型，效果上完成了将“bar”的值存放在了function stack上。接着又返回到上面的主循环处读取下一个字节码并执行，下一个要执行的字节码为setglobal00.

 1 switch (GET_OPCODE(i)) {
 2       //... ...
 3       case OP_SETGLOBAL: {
 4         TValue g;
 5         sethvalue(L, &g, cl->env);
 6         lua_assert(ttisstring(KBx(i)));
 7         Protect(luaV_settable(L, &g, KBx(i), ra));
 8         continue;
 9       }
10 //... ...

首先第5行中，cl->env为当前function的环境，函数sethvalue将其传给了g，KBx(i)指向了function常量数组中的值，ra为stack中的值，这里为前一条字节码loadk保存在stack中的“bar”。

 1 void luaV_settable (lua_State *L, const TValue *t, TValue *key, StkId val) {
 2   int loop;
 3   TValue temp;
 4   for (loop = 0; loop < MAXTAGLOOP; loop++) {
 5     const TValue *tm;
 6     if (ttistable(t)) {  /* `t' is a table? */
 7       Table *h = hvalue(t);
 8       TValue *oldval = luaH_set(L, h, key); /* do a primitive set */
 9       if (!ttisnil(oldval) ||  /* result is no nil? */
10           (tm = fasttm(L, h->metatable, TM_NEWINDEX)) == NULL) { /* or no TM? */
11         setobj2t(L, oldval, val);
12         h->flags = 0;
13         luaC_barriert(L, h, val);
14         return;
15       }
16  //... ...
17 }

这里首先判断g是不是table，然后第7行取得g的hash部分，通过第8行luaH_set里的luaH_get得到table中key对应的old value。最后第11行，函数setobj2t将val("bar")存放在了全局变量foo的位置处，即foo = “bar”。

1 #define setobj(L,obj1,obj2) \
2   { const TValue *o2=(obj2); TValue *o1=(obj1); \
3     o1->value = o2->value; o1->tt=o2->tt; \
4     checkliveness(G(L),o1); }

好了到了这里语句foo = “bar”对应的两条字节码的解释过程已经全部介绍完了，下面的三条字节码就不再详细解释了，大家可以按照上面的路线自己过一遍~