您当前的位置:首页 > 新闻 > 科技

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

时间:2020-06-23 09:00:23  来源:  作者:

本文从一个简单示例入手,详细讲解 Lua 字节码文件的存储结构及各字段含义,进而引出 Lua 虚拟机指令集和运行时的核心数据结构 Lua State,最后解释 Lua 虚拟机的 47 条指令如何在 Lua State 上运作的。

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 chunk(Binary 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:

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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:

print ("hello")
function add(a, b)
    return a+b
end

编译得到的 Hello.out 的二进制为:

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

嵌套的函数原型

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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 Rigister 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(Rigister Based)。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)

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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:

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

Lua 栈索引

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

指令表

下面是 Lua 的 47 条指令详细说明:

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := R(B)

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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):

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := Kst(Bx)

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

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。

公式:R(A) := Kst(Ax)

指令名称类型操作码BCA
LOADBOOLiABC0x03OpArgUOpArgU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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

R(A) := (bool)B

if(C) pc++

指令名称类型操作码BCA
LOADNILiABC0x04OpArgUOpArgN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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A), R(A+1), ... ,R(A+B) := nil

指令名称类型操作码BCA
GETUPVALiABC0x05OpArgUOpArgN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 。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := Upvalue[B]

指令名称类型操作码BCA
GETTABUPiABC0x06OpArgUOpArgK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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

R(A) := Upvalue[B][rk(c)]

指令名称类型操作码BCA
GETTABLEiABC0x07OpArgROpArgK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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := R[B][rk(c)]

指令名称类型操作码BCA
SETTABUPiABC0x08OpArgKOpArgK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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

Upvalue[A][rk(b)] := RK(C)

指令名称类型操作码BCA
SETUPVALiABC0x09OpArgUOpArgN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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:Upvalue[B] := R(A)

指令名称类型操作码BCA
SETTABLEiABC0x0AOpArgKOpArgK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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A)[RK(B)] := RK(C)

指令名称类型操作码BCA
NEWTABLEiABC0x0BOpArgUOpArgU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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := {} (size = B, C)

指令名称类型操作码BCASELFiABC0x0COpArgROpArgK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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

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

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

指令名称类型操作码BCAADDiABC0x0DOpArgKOpArgK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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := RK(B) + RK(C)

指令名称类型操作码BCASUBiABC0x0EOpArgKOpArgK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)

公式:

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

指令名称类型操作码BCAMULiABC0x0FOpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) * RK(C)

指令名称类型操作码BCAMODiABC0x10OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) % RK(C)

指令名称类型操作码BCAPOWiABC0x11OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) ^ RK(C)

指令名称类型操作码BCADIViABC0x12OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) / RK(C)

指令名称类型操作码BCAIDIViABC0x13OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) // RK(C)

指令名称类型操作码BCABANDiABC0x14OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) & RK(C)

指令名称类型操作码BCABORiABC0x15OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) | RK(C)

指令名称类型操作码BCABXORiABC0x16OpArgKOpArgK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)

公式:R(A) := RK(B) ~ RK(C)

指令名称类型操作码BCASHLiABC0x17OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) << RK(C)

指令名称类型操作码BCASHRiABC0x18OpArgKOpArgK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)。

公式:R(A) := RK(B) >> RK(C)

指令名称类型操作码BCAUNMiABC0x19OpArgROpArgN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)。

公式:R(A) := - R(B)

指令名称类型操作码BCABNOTiABC0x1AOpArgROpArgN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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := ~ R(B)

指令名称类型操作码BCANOTiABC0x1BOpArgROpArgN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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := not R(B)

指令名称类型操作码BCALENiABC0x1COpArgROpArgN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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := length of R(B)

指令名称类型操作码BCA
CONCATiABC0x1DOpArgROpArgR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)。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := R(B) .. ... .. R(C)

指令名称类型操作码sBxAJMPiAsBx0x1EOpArgR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:

指令名称类型操作码BCAEQiABC0x1FOpArgKOpArgK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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:if ((RK(B) == RK(C)) pc++

指令名称类型操作码BCALTiABC0x20OpArgKOpArgK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。

公式:if ((RK(B) < RK(C)) pc++

指令名称类型操作码BCALEiABC0x21OpArgKOpArgK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。

公式:if ((RK(B) <= RK(C)) pc++

指令名称类型操作码BCATESTiABC0x22OpArgNOpArgU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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

if not (R(A) <=> C) pc++

注:<=>表示按 bool 值比较

指令名称类型操作码BCA
TESTSETiABC0x23OpArgROpArgU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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

if (R(B) <=> C)
   R(A) := R(B)
else
   pc++ 

注:<=>表示按 bool 值比较

指令名称类型操作码BCACALLiABC0x24OpArgUOpArgU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

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A), ... ,

指令名称类型操作码BCA
TAILCALLiABC0x25OpArgUOpArgU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,公式:return R(A)(R(A+1), ... , R(A+B-1))

指令名称类型操作码BCA
RETURNiABC0x26OpArgUOpArgN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

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:return R(A),...,R(A+B-2)

指令名称类型操作码sBxAFORLOOPiAsBx0x27OpArgR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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

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>=

指令名称类型操作码sBxAFORPREPiAsBx0x28OpArgR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:

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

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

pc+=sBx

指令名称类型操作码BCA
TFORCALLiABC0x29OpArgNOpArgU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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A+3),...,R(A+2+C) := R(A)(R(A+1),R(A+2))

指令名称类型操作码sBxATFORLOOPiAsBx0x2AOpArgR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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

if R(A+1) ~= nil

R(A)=R(A+1)

pc+=sBx

指令名称类型操作码BCA
SETLISTiABC0x2BOpArgUOpArgU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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:

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

1 <= i <= B

指令名称类型操作码BxACLOSUREiABx0x2COpArgU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:

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A) := closure(KPROTO[Bx])

指令名称类型操作码BCA
VARARGiABC0x2DOpArgUOpArgN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。

万字详文:深入理解 Lua 虚拟机

 

公式:R(A),R(A+1),...R(A+B-2)=vararg

指令名称类型操作码AxEXTRAARGiAx0x2EOpArgU

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。

 



Tags:Lua 虚拟机   点击:()  评论:()
声明:本站部分内容及图片来自互联网,转载是出于传递更多信息之目的,内容观点仅代表作者本人,如有任何标注错误或版权侵犯请与我们联系(Email:2595517585@qq.com),我们将及时更正、删除,谢谢。
▌相关推荐
本文从一个简单示例入手,详细讲解 Lua 字节码文件的存储结构及各字段含义,进而引出 Lua 虚拟机指令集和运行时的核心数据结构 Lua State,最后解释 Lua 虚拟机的 47 条指令如何...【详细内容】
2020-06-23  Tags: Lua 虚拟机  点击:(27)  评论:(0)  加入收藏
▌简易百科推荐
非法购买公民信息、开发人脸认证规避技术&hellip;&hellip;今年年初,广东省公安厅网安部门侦破全国首例破解“青少年防沉迷系统”的新型网络犯罪案件,抓获犯罪嫌疑人13名,查处非...【详细内容】
2021-12-28    人民日报客户端  Tags:数据安全步   点击:(5)  评论:(0)  加入收藏
就在今天,腾讯方面宣布将在2022年1月31日下架企业QQ和营销QQ,其实这一消息的降临并不让笔者意外,因为早在今年的10月28日20点之后,企业QQ和营销QQ就被停止了续费服务。相信很多...【详细内容】
2021-12-27  科技探险家    Tags:企业QQ   点击:(20)  评论:(0)  加入收藏
日前,上海交通大学发布《全球电竞之都评价报告》,对全球15个致力于发展电竞之都的城市进行评价,上海作为中国城市电竞发展的排头兵,其拥有众多优质电竞企业及完整产业集群,因此排...【详细内容】
2021-12-27  经济日报    Tags:电竞   点击:(3)  评论:(0)  加入收藏
为优化网络氛围环境,微博又开始整顿用户信息了。本月月初,微博官方发布公告,要求昵称中带有如“二货”“SB”“瘪三”“娘炮”等明显低俗或侮辱性词汇的用户尽快修改,否则将面临...【详细内容】
2021-12-24  运了个营    Tags:微博   点击:(10)  评论:(0)  加入收藏
昨日谷歌宣布,自2022年12月19日开始停止对OnHub的软件支持,OnHub路由器仍将提供Wi-Fi信号,但用户无法用谷歌Home应用程序管理它。无法更新Wi-Fi网络设置、添加额外的Wifi设备或...【详细内容】
2021-12-22  雷峰网    Tags:Google OnHub   点击:(5)  评论:(0)  加入收藏
IT之家 12 月 20 日消息,百度网盘青春版 iOS 客户端今日晚间率先开启内测,安卓客户端将在稍后内测。使用苹果 iPhone 的IT之家小伙伴可以点此下载内测版,需要先下载 TestFlight...【详细内容】
2021-12-21  IT之家    Tags:百度网盘   点击:(10)  评论:(0)  加入收藏
对于拼车单,是接还是不接,不少网约车司机表示很矛盾。接吧,钱少事多,常常跑了个寂寞,不接吧,车多客少,挑三拣四没饭吃。 在平台大力推广拼车单之下,不少司机迫于生活压力,最终还是打...【详细内容】
2021-12-17  网约车情报分享    Tags:滴滴   点击:(9)  评论:(0)  加入收藏
蓝鲸TMT频道12月16日讯,据饿了么官方微信公众号,近日,在圆桌会上,蓝骑士与平台交流了配送安全问题。饿了么表示,线上将技术手段融入安全防护;线下将持续进行安全培训,并试点智能头...【详细内容】
2021-12-17    金融界  Tags:饿了么   点击:(24)  评论:(0)  加入收藏
开源最前线(ID:OpenSourceTop) 猿妹编译项目地址: https://github.com/restic/restic全球知名代码托管平台 GitHub 今天就重磅发布了今年的年度报告&mdash;&mdash;《2021 年度 O...【详细内容】
2021-12-17  Python部落    Tags:   点击:(9)  评论:(0)  加入收藏
新京报快讯 据中国网络视听节目服务协会网站消息,12月15日,中国网络视听节目服务协会发布了《网络短视频内容审核标准细则》(2021)。中国网络视听节目服务协会组织有关短视频平...【详细内容】
2021-12-16    新京报  Tags:短视频   点击:(11)  评论:(0)  加入收藏
相关文章
    无相关信息
最新更新
栏目热门
栏目头条