1.Lua5.4 源码剖析——性能优化与原理分析
2.LuaJIT源码分析（二）数据类型
3.LuaJIT源码分析（一）搭建调试环境
4.《Lua5.4 源码剖析——基本数据类型 之 布尔类型》
5.《Lua5.4 源码剖析——基本数据类型 之 数字类型》
6.Lua5.4 源码剖析——虚拟机2 之 闭包与UpValue

Lua5.4 源码剖析——性能优化与原理分析

       本篇教程将引导您深入学习Lua在日常编程中如何通过优化写法来提升性能、手机降低内存消耗。源源码在讲解每个优化案例时，手机将附上部分Lua虚拟机源代码实现，源源码帮助您理解背后的手机原理。

       我们将对优化的源源码总裁游戏源码评级进行标注：0星至3星，推荐评级越高，手机优化效果越明显。源源码优化分为以下类别：CPU优化、手机内存优化、源源码堆栈优化等。手机

       测试设备：个人MacBookPro，源源码配置为4核2.2GHz i7处理器。手机使用Lua自带的源源码os.clock()函数进行时间测量，以精确到毫秒级别。手机为了突出不同写法的性能差异，测试通常循环执行多次并累计总消耗。

       下面是推荐程度从高到低的优化方法：

       3星优化：

       全类型通用CPU优化：高频访问的对象应先赋值给local变量。示例：用循环模拟高频访问，每次访问math.random函数创建随机数。推荐程度：极力推荐。

       String类型优化：使用table.concat函数拼接字符串。示例：循环拼接多个随机数到字符串。推荐程度：极力推荐。

       Table类型优化：Table构造时完成数据初始化。示例：创建初始值为1,2,3的Table。推荐程度：极力推荐。

       Function类型优化：使用尾调用避免堆栈溢出。示例：递归求和函数。推荐程度：极力推荐。

       Thread类型优化：复用协程以减少创建和销毁开销。示例：执行多个不同函数。推荐程度：极力推荐。

       2星优化：

       Table类型优化：数据插入使用t[key]=value方式。示例：插入1到的数字。推荐程度：较为推荐。

       1星优化：

       全类型通用优化：变量定义时同时赋值。示例：初始化整数变量。推荐程度：一般推荐。

       Nil类型优化：相邻赋值nil。示例：定义6个变量，其中3个为nil。推荐程度：一般推荐。

       Function类型优化：不返回多余的返回值。示例：外部请求第一个返回值。推荐程度：一般推荐。

       0星优化：

       全类型通用优化：for循环终止条件无需提前计算缓存。示例：复杂函数计算循环终止条件。推荐程度：无效优化。

       Nil类型优化：初始化时显示赋值和隐式赋值效果相同。示例：定义一个nil变量。vip电源源码推荐程度：无效优化。

       总结：本文从源码层面深入分析了Lua优化策略。请根据推荐评级在日常开发中灵活应用。感谢阅读！

LuaJIT源码分析（二）数据类型

       LuaJIT，作为Lua的高性能版本，其源码分析中关于数据类型处理的细节颇值得研究。它在数据结构的定义上与Lua 5.1稍有不同，通过通用的数据结构TValue来表示各种Lua数据类型，但其复杂性体现在了内含的若干宏上，增加了理解的难度。这些宏如LJ_ALIGN、LJ_GC、LJ_ENDIAN_LOHI、LJ_FR2等，分别用于内存对齐、GC模式的选择、大小端判断以及浮点数编码格式的选择。

       LJ_ALIGN宏用于确保struct内存对齐，以提高内存访问效率。LJ_GC宏在当前平台为位且无强制禁用的情况下生效，表明LuaJIT支持位GC（垃圾回收）模式。LJ_ENDIAN_LOHI宏则根据平台的字节顺序来确定结构的布局，而x平台采用小端序。

       对于TValue结构的定义，通过处理宏后可以简化为一个位的结构体，包含一个union，用于统一表示Lua的各种数据类型。这种设计利用了NaN Boxing技术，即通过在浮点数编码中预留空间来实现不同类型数据的紧凑存储。每个类型通过4位的itype指针来标识，使得数据的解析与存储变得高效。

       对于number数据类型，其值被存储在一个double中，而其他类型如nil、true、false等则利用剩余的空间来标识其类型。这种设计允许LuaJIT在内存中以一种紧凑且高效的方式存储各种数据类型，同时通过简单的位操作就能识别出具体的数据类型。

       对于GC对象（如string、table等），LuaJIT通过特定的itype值来区分它们与普通数据类型，以及与值类型（如nil和bool）和轻量级用户数据的差异。通过宏判断，LuaJIT能够快速识别出TValue是否为GC对象，以及具体是哪种类型的GC对象。

       在开启LJ_GC模式下，GC对象的地址被存储在TValue的特定字段gcr中，提供位的地址支持。虽然前位用于标识数据类型，进程间通讯源码但实际使用时仅利用了低位的地址空间，对于大多数实际应用而言，这部分内存已经绰绰有余。

       在GCobj数据结构中，通过union的特性实现不同类型对象的共通性与特定性。GChead提供了通用的接口来获取对象的通用信息，而nextgc、marked等字段用于实现垃圾回收机制。通过gct字段，LuaJIT能够将一个GCObj转换为实际的类型对象，进一步增强了内存管理的灵活性。

       对于整数类型，默认情况下LuaJIT使用double进行存储以确保精度，但在实际应用中，频繁使用的整数通过宏LJ_DUALNUM启用，以int类型存储，提高了数据处理的效率。此时，TValue的i字段用于保存int值，同时通过位移操作确保了数据的正确存储与解析。

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，下载源码后怎么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。

《Lua5.4 源码剖析——基本数据类型 之 布尔类型》

       《Lua5.4 源码剖析——基本数据类型 之 布尔类型》

       Lua的基本数据类型中，布尔类型是最简单的一种。在Lua中，尽管通常认为布尔类型只有true和false两种值，但实际上，其在源码中的实现更为精细。Lua使用了TValue这个数据结构来存储所有类型，包括布尔类型。TValue包含了一个lu_byte类型的tt_（类型标记）和Value类型的value_（存储实际数据）。

       tt_字段占用1个字节，其中4个位用于存储基本类型（0-8代表nil到thread），2个位用于表示类型变体，1个位用于垃圾回收标志。布尔类型通过类型变体实现，它被声明为LUA_TBOOLEAN，当tt_的第5位为0时代表false，为1时代表true。

       判断布尔变量的宏定义在《lobject.h》中，而布尔类型的实际值并不存储在value_，而是直接在tt_字段中，以节省内存和判断复杂度。理解了这一点，我们就可以深入理解Lua中布尔类型的内存结构和使用方式。继续关注后续章节，将探讨其他基本数据类型在Lua5.4源码中的实现细节。

《Lua5.4 源码剖析——基本数据类型 之 数字类型》

       数字类型在编程中分为整数和浮点数两种。在Lua语言的5.3版本之前，所有数字都被底层实现为浮点数，整数的概念并未独立出来，而是spring web 源码分析通过浮点数的IEEE表示法进行表示与数据存储。这样，在进行整数运算时，可能会在多次运算后累积产生出意外的浮点误差。因此，从Lua5.3版本开始，Lua引入了对整数的支持，使其不再依赖于浮点数进行表示，并且支持位运算等整数运算操作符。

       在Lua语言中，每个基础对象需要存储其类型标识，这个标识在源码《lua.h》中定义为tt，数字类型的tt枚举值为LUA_TNUMBER（对应数字3）。由于数字类型分为整型和浮点型，它们通过类型变体来区分。在源码《lobject.h》中，类型变体LUA_VNUMINT表示整型，而LUA_VNUMFLT表示浮点型。

       数字类型在TValue中定义了Value字段，这个字段包含i和n两个字段，用于分别存储整型和浮点型的数值。在历史原因的影响下，lua_Number并不是指所有数字类型，而是专门指浮点类型；lua_Integer则专门指整型。因此，设置整数或浮点数时，需要先设置Value字段中的n字段（整型）或i字段（浮点型），然后使用settt_宏设置type tag(tt)字段为对应值LUA_VNUMFLT或LUA_VNUMINT。

       在底层，数字类型的数据类型具体表现为lua_Integer和lua_Number。在源码《lua.h》中声明，lua_Number为LUA_NUMBER，lua_Integer为LUA_INTEGER。深入学习它们的定义，可以看到整型有int、long、long long三种类型，浮点型有float、double、long double三种类型。Lua5.4的默认配置中，整型使用long long类型，浮点型使用double类型。在Windows平台上，整型使用__int类型。

       至此，数字类型的讲解就告一段落。希望本文对理解Lua语言中的数字类型有所帮助。

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。

《Lua5.4 源码剖析——基本数据类型 之 Function》

       在编程语言中，函数作为重要的元素，可以分为第一类值语言和第二类值语言。第一类值语言如Lua，其函数与数值类型、布尔类型地位相同，可动态创建、存储与销毁；第二类值语言则无法实现这些操作。Lua是第一类值语言，支持动态函数创建与销毁。

       在Lua中，函数的基本类型枚举为LUA_TFUNCTION，对应8位二进制为 。函数类型变体包括三种：LUA_VLCL（Lua闭包）、LUA_VLCF（C函数指针）和LUA_CCCL（C语言闭包）。闭包由函数与UpValue组成，UpValue为在当前函数外声明但函数内可以访问的变量，类似于局部变量但具备一定作用域。

       闭包分为C类型闭包与Lua类型闭包。C类型闭包在Lua源代码中由C语言实现，主要用于调用C函数。Lua类型闭包则在Lua中动态创建，支持多层嵌套与UpValue管理。闭包实现方式包括C语言闭包和Lua闭包。

       Lua闭包由ClosureHeader宏定义，包含闭包的类型标识、UpValue数组长度、垃圾回收列表等信息。闭包内部的函数通过Proto数据结构定义，包含参数数量、最大寄存器数量、UpValue数量等属性。Lua闭包中的UpValue通过UpVal类型管理，UpVal状态分为open和close两种，open状态时UpVal存储在链表中，close状态时UpVal的值被保存，直到函数返回时才被销毁。

       在实现多返回值时，Lua通过调整运行堆栈的结构，将多个返回值合并，减少内存使用。在尾调用消除中，Lua在函数执行结束时，复用当前函数的栈空间进行下一次函数调用，避免了堆栈溢出的问题。Lua的尾调用优化使得函数调用效率更高，程序运行更稳定。

Unlua源码解析（附） 读源码的前置知识

       在解析Unlua源码时，需要熟悉Lua的基本API和交互机制。以下为关键API及功能解析：

       1. lua_getfield(L, k)：获取指定表中由key k指向的值，压入栈顶。

       2. lua_gettop(L)：返回栈顶元素的索引，即栈的大小。

       3. lua_rawget(L, -2)：与lua_getfield类似，获取t[k]的值压入栈顶，但不调用元方法。

       4. lua_rawset(L, -4)：设置t[k] = v，同样不通过元方法。

       5. lua_remove(L, -2)：移除栈中index为-2的内容，之后所有元素下移。

       6. Lua与C++交互机制：调用开始时，Lua参数依次压入栈；调用结束时，C++返回值压入栈，同时返回值数量。

       在lua.h中，lua与C交互的API如下：

       1.1 lua_register：将C函数设置为全局名称的新值，允许Lua端调用。

       1.2 lua_gettop：返回栈顶元素的索引，用于获取栈大小。

       1.3 lua_pop：弹出栈中指定数量的值。

       1.4 lua_tolstring：将指定位置的值转换为C字符串，并返回字符串长度。

       1.5 lua_tostring：与lua_tolstring类似，但返回长度为NULL。

       1.6 lua_getfield：将表中key指向的值压入栈顶。

       1.7 luaL_getmetatable：获取指定表的元表并入栈。

       1.8 luaL_newmetatable：创建新元表并入栈，或重用已有。

       1.9 lua_getmetatable：获取指定索引处的表的元表。

       1. lua_pushstring：将字符串入栈，Lua会做拷贝。

       1. lua_settable：设置表中key对应的值。

       1. lua_rawset：与lua_settable类似，不调用元方法。

       1. lua_gettable：从表中获取key对应的值。

       1. lua_rawget：与lua_gettable类似，不调用元方法。

       1. lua_pushinteger：将数字入栈。

       1. lua_pushlightuserdata：将指针入栈。

       1. lua_pushcclosure：创建闭包入栈。

       1. lua_pushvalue：复制指定位置的值入栈。

       1. lua_setmetatable：设置表元表。

       1. lua_getglobal：获取全局变量并入栈。

       1. lua_setglobal：设置全局变量值。

       1. lua_pushnil：入栈nil值。

       1. lua_upvalueindex：获取闭包中的upvalue。

       1. lua_touserdata：返回完整 userdata 或 light userdata 指针。

       1. lua_newtable：创建空表并入栈。

       1. lua_createtable：预分配空间后创建空表。

       1. lua_next：用于遍历表元素。

       1. lua_tolstring：将指定位置的值转换为C字符串。

       1. lua_tostring：与lua_tolstring类似，但不返回长度。

       1. lua_newuserdata：分配内存并创建 userdata。

       1. lua_call：调用Lua函数。

       1. lua_pcall：与lua_call类似，用于调用Lua函数。

       在Lua中，存在一些全局方法如rawset和rawget，用于直接写入或读取表元素而避免元方法的调用。

       综上所述，通过掌握这些API，开发者能有效利用Lua与C++的交互机制，实现复杂、高效的数据处理和逻辑交互。