1.Lua GC机制分析与理解-上
2.Lua语言简介
3.Lua如何进行大数运算（附源码）
4.Lua5.4 源码剖析——杂谈 之 如何调试Lua源码
5.LuaJIT源码分析（一）搭建调试环境
6.图解Lua分代GC

Lua GC机制分析与理解-上

       lua的垃圾回收(Garbage Collect)在lua编程中占据关键地位，尤其在5.3.4版本的源码中，本文将基于此版本进行深入探讨。lua采用的是标记清除式GC算法，其流程包括标记和清除两步骤：标记阶段从若干根节点开始，逐层追踪相关对象；清除阶段遍历标记过的吉房网源码对象链表，删除不再需要的内存。

       在lua的垃圾回收中，使用白、灰、黑三种颜色标识对象的状态。白色代表可回收状态，初始对象为白色，表示未被访问；灰色代表待标记状态，已访问但引用的其他对象未标记；黑色则表示对象已完全标记，不可回收。为了区分新建对象的特殊情况，lua引入了白1和白2，确保在标记阶段结束后的清除阶段，新创建的对象不会被错误地清除。

       GC过程从新建对象开始，通过luaC_newobj函数创建可回收对象，并将其标记为白色。触发GC的条件包括手动调用或内存使用超过设定阈值。在lua5.1之后，引入了分步执行机制，提高了系统的实时性，核心函数singlestep负责管理整个过程。

       标记阶段从根对象开始，将白色变为灰色，并加入灰色链表。清除阶段则根据对象类型分步进行，如字符串直接回收，其他类型逐个检查颜色并释放空间。整个过程非搬迁式，不涉及内存整理。

       总结起来，lua的GC机制就是通过灰色链表进行标记，然后遍历内存链表进行清除。虽然本文主要基于5.3.4版本，但原理适用于不同版本的lua。任何理解或改进的建议，都欢迎读者批评指正，期待您的反馈，感谢阅读。

Lua语言简介

       Lua是一种轻巧快速、易于学习的编程语言，适合嵌入到各种应用中，如游戏、Web应用、粉笔源码讲解图像处理等。

       想要深入了解Lua，请访问关于页面，获取详细信息及了解选择Lua的原因。现场演示可以让你体验Lua程序的真实面貌。

       推荐书籍《Lua编程》作为入门学习资源，提供平装本和电子书。第一版在线免费，课程笔记可供参考。官方定义与详细信息在参考手册中。更多资料可在文档页面和Wiki中查找。

       我们的友好社区提供帮助，只需访问邮件列表、聊天室、或Stack Overflow。对于葡萄牙语帮助，可加入Lua BR邮件列表，访问pt.stackoverflow。

       若需复杂任务处理，Lua模块的主要存储库LuaRocks提供补充库。Awesome Lua精选Lua软件包及资源。LUA用户维基列出许多用户贡献插件。

       无需安装，使用现场演示体验Lua。在计算机上运行Lua程序，需独立Lua解释器与库。对于Windows，LuaDist是多平台版本。Linux或Mac OS X的Lua版本确保最新，使用源代码构建Lua亦非难事。

       将Lua嵌入C或C++程序，使用Lua头编译程序，并链接Lua库。若为现成Lua软件包，可能需开发软件包。否则，下载Lua并将源目录添加至项目。

       Lua是由巴西里约热内卢天主教大学研究小组于年开发的，成员包括Roberto Ierusalimschy、Waldemar Celes和Luiz Henrique de Figueiredo。设计目标是为应用程序提供灵活的扩展和定制功能。

       Lua官方编程API、书籍《Lua编程》及Lua.org网站等资源可深入了解语言特性。版权信息与最后更新日期提醒用户注意。

Lua如何进行大数运算（附源码）

       在游戏服务器开发中，大数计算是常见但难以避免的问题。一般数值计算在math.maxinteger范围内可直接使用Lua常规计算，超出范围则需大数计算。本文介绍了两种基于Lua的仿word源码大数计算库：基于Boost的Lua库和基于GNU bc的Lua库lbc。

       基于Boost的Lua库通过安装Lua、Boost和GCC，编译生成Lua直接引用的so库。编译方式有正常编译和捆绑编译。捆绑编译通过make_boost.sh脚本将boost文件复制到boost文件夹，简化编译过程。但需要注意，捆绑编译可能不适用于最新版本的boost。

       基于GNU bc的Lua库lbc由Lua的作者之一编写，具有简单、小巧、易用等特点。编译简单，几乎只需执行make。测试结果显示，lbc在位字符的数字上，执行加减乘除各一次，其时间在1秒以下，符合要求。

       本文还介绍了基于MAPM的Lua库lmapm，其特点与lbc类似。两种库在测试中表现稳定，但lbc提供了详细的位数信息，而lmapm采用科学计数法表示结果。

       最后，本文建议根据实际需求选择合适的大数计算库。对于简单、方便、源码、可修改、可移植和精度要求较高的项目，lbc是不错的选择。同时，还介绍了其他开源的大数计算库，供读者参考。

Lua5.4 源码剖析——杂谈 之 如何调试Lua源码

       我们有时候写了一段Lua代码，希望能通过断点调试的方式看一下我们的代码在执行过程中Lua虚拟机的状态与运行流程。本篇教程我将教大家Windows与Mac环境下如何配置Lua源码调试环境。

       Lua调试环境需要有Lua源码，我们从官网下载源码：

       Windows下Lua源码调试环境搭建

       1）下载Visual Studio，可自行在官网下载最新版本即可：

       2）打开VIsual Studio，创建一个新的C++控制台工程，我这里以Visual Studio 版本进行举例：

       项目可任意命名，本例中我们命名为TestLua：

       3）工程中添加Lua源码文件：

       3.1）拷贝源代码文件到项目的文件夹，Makefile文件可以不拷贝：

       3.2）把上面这些文件导入工程：

       "

       .h

       头文件导入：导入所有".h"后缀文件到头文件文件夹中（右键头文件->添加->现有项）：

       "

       .c

       源文件导入：导入所有".c"后缀文件到源文件的文件夹（右键源文件->添加->现有项）：

       4）生成exe可执行文件：

       文件都导入完成了，这时候如果按"生成"或者"F5"，会有如下的报错：

       这是因为除了我们创建项目工程的时候自带源文件中的一个main函数以外，Lua源码中也定义了两个Main函数。他们分别对应的密算法源码是luac编译工具的启动函数和lua运行工具的启动函数。要想编译通过，我们只需要根据自己要调试目的，从3个main里面把用不到的2个main删掉或者重命名即可。

       本例中，我打算在自己的main里面实现通过dofile函数执行一个Lua文件的功能，所以我不需要启动lua和luac指令控制台，所以我把他们的main函数改名：

       luac.c：把main函数改名为luac_main函数：

       lua.c：把main函数改为lua_main：

       上述源码中多余的2个main函数都改名了，这时候已经能编译通过并生成出exe可执行文件了。

       接下来我们可以开始编写自己的main函数逻辑了，打开TestLua.cpp，输入以下内容，作用是运行一个在项目目录下名字为"testlua.lua"的lua文件：

       5）testlua.lua文件创建与编写：

       上述代码在运行时会执行testlua.lua文件，接下来我们就需要在工程目录下创建这个将要被执行的testlua.lua文件：

       打开testlua.lua文件，添加任意lua代码，这里我们简单调用print打印一句信息：

       6）在Visual Studio中按“F5”开启调试，可以看到控制台被成功运行，我们的lua文件也被成功执行，打印出了信息：

       7）断点调试指令OpCode：

       学习过我的《Lua源码剖析 之 虚拟机》系列教程的同学应该知道Lua的指令就是各种OpCode的执行，我们可以在《lvm.c》的下面这个地方加断点再按F5重新启动程序，程序在每执行一条OpCode指令就会在这处代码断点下来，这时候我们就能看到下一条要执行的OpCode是哪一条了：

       在本例中的print函数最终会执行到OP_CALL这个调用分支：

       Windows环境下搭建Lua源码调试环境的教程到此结束。

       Mac下Lua源码调试环境搭建

       因为大部分流程与上面Windows一样，所以我下面会省略一些重复步骤。

       1）下载XCode，可自行在AppStore进行下载。

       2）打开XCode，创建一个新的C++控制台工程，本例中命名为TestLua：

       3）工程中添加Lua源码文件：

       3.1）拷贝源代码文件到项目的文件夹，Makefile文件可以不拷贝：

       3.2）把拷贝后的文件导入工程：

       不需要区分".h"和".cpp"，全选导进来就好了：

       4）与Windows流程同样，把源码自带的2个main函数改名：

       luac.c：把main函数改名为luac_main函数：

       lua.c：把main函数改为lua_main：

       把源码中多余的2个main函数都改名了，接下来同样，开始编写我们的main.cpp，打开该文件并添加代码如下代码。为了在mac下文件读取代码更简洁，在下面的Lua文件我暂时先使用文件的绝对路径，暂时把testlua.lua文件放在我的mac的桌面上进行读取：

       5）在mac的桌面上创建testlua.lua文件，添加任意lua代码：

       6）同理可正常运行或者加断点进行调试，这里不再赘述：

       总结

       本文我们学习了如何在Windows与Mac下搭建Lua源码调试环境。另外，我们上述使用的例子是通过dofile运行一个lua文件，同学们也可以试试保留lua.c里面的main函数，删掉另外两个，此时按开始调试可启动lua的即时解析控制台，在控制台里面可自行输入任意Lua代码，并可断点查看即时运行状态或最终结果，感兴趣的同学可以自行试试。

       不过，尽管能调试Lua源码，自制office源码但如果之前没有学习过我的那些Lua源码剖析教程，可能很多地方会看不懂，所以这里建议有空的同学还是可以先去学习一下的。

       谢谢阅读。

LuaJIT源码分析（一）搭建调试环境

       LuaJIT，这个以高效著称的lua即时编译器（JIT），因其源码资料稀缺，促使我们不得不自建环境进行深入学习。分析源码的第一步，就是搭建一个可用于调试的环境，但即使是这个初始步骤，能找到的指导也相当有限，反映出LuaJIT的编译过程复杂性。

       首先，从官方git仓库开始，通过命令`git clone https://luajit.org/git/luajit.git`获取源代码。GitHub上也有相应的镜像地址。对于调试，LuaJIT提供msvcbuild.bat脚本，位于src目录下，它将编译过程分为三个阶段：构建minilua，用于平台判断和执行lua脚本；buildvm生成库函数映射；以及lua库的编译和最终LuaJIT的生成。该脚本需在Visual Studio Command Prompt环境中以管理员权限运行，且有四个可选编译参数。

       在调试时，我们无需这些选项，但需要保留中间代码。因此，需要在脚本中注释掉清理代码的部分。在Visual Studio 的位命令提示符中，切换到src目录并运行`msvcbuild.bat`。编译过程快速，成功时会看到日志信息。在src目录下，luajit.exe即为lua虚拟机。

       接着，在src目录的同级目录创建一个VS工程，将源文件和头文件添加进来。初次尝试调试可能会遇到关于strerror函数安全性的警告，这可以通过在工程属性中添加_CRT_SECURE_NO_WARNINGS宏来解决。然而，链接阶段可能会出现重复定义的错误，这与ljamalg.c文件的编译选项有关。amalg选项用于生成单个大文件，以优化代码，但我们通常不启用它。

       排除ljamalg.c后，再次尝试调试，可能还需要手动添加buildvm阶段生成的目标文件。当LuaJIT启动并设置好断点后，就可以开始调试源码了。至此，你已经成功搭建了一个LuaJIT的调试环境，为深入理解其工作原理铺平了道路。

图解Lua分代GC

       一直对GC很感兴趣，最近阅读Lua GC相关资料并结合Lua5.4.6源码总结了Lua的分代GC机制。

       在Lua中，对象根据年龄被划分为新旧不同阶段。其中，NEW、SURVIVAL属于新对象；OLD、OLD0、OLD1、TOUCHED1、TOUCHED2属于老对象。

       对象的颜色表示其状态，分为黑、白、灰三种。黑色代表对象已被完全标记，灰色代表有待标记，白色代表不再被使用的对象。YoungGC通过递归标记灰色对象，清理白色对象。

       对象颜色通过mark字段中的三个比特位表示，黑色占一个比特，白色占两个比特，全0表示灰色状态。

       使用三色标记方法，对象颜色动态变化，帮助GC准确识别无用对象。

       在Lua GC中，对象的管理通过特定的链表结构实现，包含普通无析构函数对象链表、有析构函数对象链表以及灰色对象链表。

       新对象经历两次小GC才能成为老对象的机制，旨在确保新对象的生命周期大于一次年轻代GC间隔，避免错误标记。

       源码中只标记OLD1年龄态对象的原因是，G_TOUCHED1、G_TOUCHED2、OLD0年龄态对象已经在灰链中。而OLD年龄态在小GC时不进行引用标记。

       OLD1年龄态对象已经历两次小GC，理论上属于老对象范畴。但将其直接归并入OLD态会导致SURVIVAL年龄态对象的引用标记问题。

       通过上述机制，Lua的分代GC实现了高效而精准的对象管理，降低了内存碎片，提升了程序性能。

Lua5.4 源码剖析——虚拟机2 之 闭包与UpValue

       故事将由我们拥有了一段 Lua 代码开始，我们先用 Lua 语言写一段简单的打印一加一计算结果的 Lua 代码，并把代码保存在 luatest.lua 文件中：

       可执行的一个 Lua 文件或者一份单独的文本形式 Lua 代码，在 Lua 源码中叫做 "Chunk"。无论我们通过什么形式去执行，或者用什么编辑器去执行，最终为了先载入这段 Lua 的 Chunk 到内存中，无外乎会归结到以下两种方式：1）Lua 文件的载入：require 函数 或 loadfile 函数；2）Lua 文本代码块的载入：load 函数；这两种方式最终都会来到下面源码《lparse.c》luaY_parser 函数。该函数是解析器的入口函数，负责完成代码解析工作，最终会创建并返回一个 Lua 闭包（LClosure），见下图的红框部分：

       另外，上图中间有一行代码最终会调用到 statement 函数，statement 函数是 Chunk 解析的核心函数，它会一个一个字符地处理我们编写的 Lua 代码，完成词法分析和语法分析工作，想要了解字符处理整个状态流程的可以自行研读该部分源码，见源码《lparse.c》statement 函数部分代码：

       完成了解析工作之后，luaY_parser 函数会把解析的所有成果放到 Lua 闭包（LClosure）对象之中，这些存储的内容能保证后续执行器能正常执行 Lua 闭包对应的代码。

       Lua 闭包由 Proto（也叫函数原型）与 UpValue（也叫上值）构成，见源码《lobject.h》LClosure 定义，我们下面将进行详细的讲解：

       UpValue 是 Lua 闭包数据相关的，在 Lua 的函数调用中，根据数据的作用范围可以把数据分为两种类型：1）内部数据：函数内部自己定义的数据，或者通过函数参数的形式传入的数据（在 Lua 中通过参数传入的数据本质上也是先赋值给一个局部变量）；2）外部数据：在函数的更外层进行定义，脱离了该函数后仍然有效的数据；外部数据在我们的 Lua 闭包中就是 UpValue，也叫上值。

       既然 Lua 支持函数嵌套，也知道了 UpValue 本质就是上层函数的内部数据。那么 UpValue 有必要存储于 Lua 闭包（LClosure）结构体当中吗？是为了性能考虑而做的一层指针引用缓存吗？回答：并不是基于性能的考虑，因为在实际的 Lua 运用场景中，函数嵌套的层数通常来说不会太多，个别函数多一层的查询访问判断不会带来过多的性能开销。需要在闭包当中存储 UpValue 主要原因是因为内存。Lua 作为一门精致小巧的脚本语言，设计初衷不希望占用过多的系统内存，它会尽量及时地清理内存中用不到的对象。在嵌套函数中，内层函数如果仍然有被引用处于有效状态，而外层函数已经没有被引用了已经无效了，此时 Lua 支持在保留内层函数的情况下，对外层函数进行清除，从而可以清理掉外层函数引用的非当前函数 UpValue 用途以外的大量数据内存。

       尽管外层函数被清除了，Lua 仍然可以保持内层函数用到的 UpValue 值的有效性。UpValue 如何能继续保持有效，我们在之前的基础教程《基本数据类型 之 Function》里面学习过，主要是因为 UpValue 有 open 与 close 两种状态，当外层函数被清除的时候，UpValue 会有一个由 open 状态切换到 close 状态的过程，会对数据进行一定的处理，感兴趣的同学可以回到前面复习一下。

       UpValue 有效性例子

       接下来我们举一个代码例子与一个图例，表现一下 UpValue 在退出外层函数后仍然生效的情况，看一下可以做什么样的功能需求，加深一下印象，请看代码与注释：

       上述代码在执行 OutFunc 函数后，外层的 globalFunc 函数变量完成了赋值，每次对它进行调用，都将可以对它引用的 UpValue 值即 outUpValue 变量进行正常加 1。

       函数的内部数据属于函数自身的内容，外部其它函数无法通过直接的方式访问其它函数的内部数据。函数自身的东西会存在于 LClosure 结构体的 Proto*p 字段中。Proto 全称 "Function Prototypes"，通常也可以叫做 "函数原型"，我们来看一下它的定义，见源码《lobject.h》Proto 结构体：

       结构体字段比较多，我们先不细看，后面用到哪个字段会再进行补充说明。函数的内部数据分为常量与变量（即函数局部变量），分别对应上图的如下字段：

       1）常量：TValue* k 为指针指向常量数组；int sizek 为函数内部定义的常量个数，也即常量数组 k 的元素个数。

       2）局部变量：LocVar* locvars 为指针指向局部变量数组；int sizelocvars 为函数定义的局部变量个数，也即局部变量数组 locvars 的元素个数。

       UpValue 的描述信息会存储在 Proto 结构体中的 Upvaldesc* upvalues 字段，解析器解析 Lua 代码的时候会生成这个 UpValue 描述信息，并用于生成指令，而执行器运行的时候可以通过该描述信息方便快速地构建出真正的 UpValue 数组。

       至此，我们知道了函数拥有 UpValue，有常量，有局部变量。外部数据 UpValue 也讲完，内部数据也讲完。接下来，我们开始学习函数运行的逻辑指令相关内容。

       函数逻辑指令存储于函数原型 Proto 结构体中，这些函数逻辑是由一行行的 Lua 代码构成的，代码会被解析器翻译成 Lua 虚拟机能识别的指令，我们把这些指令称为 "OpCode"，也叫 "操作码"。Proto 结构体存储 OpCode 使用的是下图中红框部分字段，见源码《lobject.h》Proto 结构体：

       至此，我们可以简单提前说一下 Lua 虚拟机的功能了，本质上来看，Lua 虚拟机的工作，就是为当前函数（或者当前一段 OpCode 数组）准备好数据，然后有序执行 OpCode 指令。

       对 OpCode 有了一定的认识了，接下来我们要补充一个 OpCode 相关的 Lua 闭包相关的内容，就是 Lua 闭包的运行环境。

       一个 Lua 文件在载入的时候会先创建出一个最顶层（Top level）的 Lua 闭包，该闭包默认带有一个 UpValue，这个 UpValue 的变量名为 "_ENV"，它指向 Lua 虚拟机的全局变量表，即_G 表，可以理解为_G 表即为当前 Lua 文件中代码的运行环境 (env)。事实上，每一个 Lua 闭包它们第一个 UpValue 值都是_ENV。

       ENV 的定义在我们之前提到的解析器相关函数 mainfunc 中，见源码《lparser.c》：

       如果想要设置这个载入后的初始运行环境不使用默认的 _G 表，除了直接在该文件代码中重新赋值_ENV 变量这种粗暴且不推荐的方式以外，通常是通过我们前面提到的加载 Lua 文件函数或加载 Lua 字符串代码函数传入 env 参数（Table 类型），就可以用自定义的 Table 作为当前 Lua 闭包的全局变量环境了，env 参数为上面两个函数的最末尾一个参数，'[' 与 ']' 字符中的内容表示参数可选，函数的定义摘自 Lua5.4 官网文档：

       所以我们可以在 Lua 代码通过 _ENV 访问当前环境：

       在 Lua 的旧版本中，变量的查询最多会分为 3 步：1）先从函数局部变量中进行查找；2）找不到的话就从 UpValue 中查找；3）还找不到就从全局环境默认 _G 表查找。而在 Lua5.4 中，把 UpValue 与全局 _G 表的查询统一为 UpValue 查询，并把一些操作判断提前到了解析器解析阶段进行，例如函数内部使用的某个 UpVaue 变量在代码解析的时候就可以通过 UpValue 描述信息知道存储于 Lua 闭包 upvals 数组的哪个下标位置，在执行器运行的时候只需要直接在数组拿取对应下标的这个 UpValue 数据即可。

       从 OpCode 的层面来看，Lua 除了支持通过一个 UpValue 数组下标访问一个 UpValue 变量，在把 _G 表合并到 UpValue 之后，Lua 为此实现了通过一个字符串 key 值从某个 Table 类型的 UpValue 中查询变量的操作。

       至此，我们了解了 Lua 闭包的结构与运行环境，以及 OpCode 的基本概念。接下来，我们将深入学习 OpCode，掌握 OpCode 就掌握了整个 Lua 虚拟机数据与逻辑的流向。

Lua的编译和反编译

       无论是Unity项目还是Unreal的项目，我通常会使用Lua进行编程。在项目打包阶段，Lua的编译和反编译是不可或缺的步骤。在本文中，我们将探讨如何对Lua代码进行编译与反编译，以及如何利用不同的工具进行操作。

       对于Lua代码的编译，我们通常有两种方法。一种是使用lua脚本直接运行代码，另一种是使用Lua的编译器（如Luac）将源代码转换为Lua字节码。通过使用指令`lua ./TestLua.lua`，我们可以测试代码的正确性。Luac是将Lua源代码编译为Lua字节码的工具，编译成功后，我们可以通过运行编译后的字节码来验证结果，一切顺利。

       另一种流行的Lua编译器是Luajit，它在Unity项目中被广泛使用。使用Luajit可以提升执行速度。如果遇到编译错误，只需确保将`luajit\src\src\jit`文件放在`luajit.exe`的同一目录下的`lua`文件夹中即可。通过直接运行包含测试代码的Lua文件，我们可以确认编译和运行的流程是正确的。

       在对比了两种编译方法后，我们发现它们都有各自的特点和适用场景。Luac适用于简单的脚本或对代码优化要求不高的情况，而Luajit则更适合需要高性能的项目，特别是那些对运行速度有较高要求的场景。

       对于Lua的反编译，最常用的工具是`luadec`。通过将`luadec`工具与Visual Studio项目进行集成，我们能够对编译后的字节码进行反编译，恢复源代码。在尝试反编译后，我们得到了清晰可读的代码，即使在不使用调试信息的情况下，反编译结果也具有一定的可读性。

       对于更复杂的反编译需求，如支持位字节码的反编译，我们遇到了一些挑战。目前，有一个名为`ljd`的工具支持位字节码的反编译，但仅限于位平台。对于位平台的字节码，我们可能需要自行修改`ljd`的Python代码来支持，这是一个需要时间和专业知识的额外工作。尽管如此，对于大部分应用场景，上述工具已经足够满足我们的需求。

       总之，Lua的编译和反编译是Lua项目开发过程中的重要环节。通过选择合适的编译工具和反编译方法，可以有效提升代码的执行效率和调试效率。同时，对于反编译过程，我们应根据实际需求选择合适的工具，并注意其适用的平台和特性。