Lua 是怎么执行代码的？初识 Lua

楔子

下面我们来一起学习一下 Lua 语言，相信很多人都听说过它，Lua 是一种可嵌入、轻量、快速、功能强大的脚本语言，使用较为广泛，主要用在游戏领域。另外，基于 Nginx 的 OpenResty 也是使用 Lua 来编写脚本的，很多存储框架（如 Redis）也支持使用 Lua 来编写脚本。

作为一门诞生已经超过 20 年的语言，Lua 在设计上是非常克制的。首先 Lua 的解释器是 C 编写的，源码总共才两万多行，也正因为 Lua 的精简性，导致它无法独立地开发大型应用，它存在的意义主要是为了和其它语言结合，提供相应的扩展功能，比如在 C++ 中引入 Lua 脚本等等。

然后就是作为一门以纯 C 代码编写的项目，Lua 代码优美、结构组织紧凑，是教科书般经典的 C 语言项目。并且它的性能非常的优秀，可以说是动态语言的性能巅峰了，所以我们学习它是完全有必要的。当然啦，既然要选择学习 Lua，说明你肯定有其它语言的基础，所以这里我们不光会介绍 Lua 的基础语法，还会剖析 Lua 的底层 C 实现。

Lua 的安装

然后我们来安装 Lua，这里安装最新的 5.4 版本，我们进入 Lua 的官网，根据操作系统选择合适的安装包即可，我这里是 Windows。

下载完之后，直接解压即可，目录里面就 4 个文件。

这几个文件的作用如下：

• luac54.exe：Lua 编译器的可执行文件，负责将 Lua 脚本文件编译成字节码文件（后缀名为 .luac）。字节码文件可以更快地加载和执行，因此在发布阶段可以使用它们来保护源代码和提高执行效率。所以 Lua 虽然是解释型语言，但也是要经过编译的。而 Lua 解释器由一个 Lua 编译器加上一个 Lua 虚拟机组成，Lua 编译器将 .lua 文件编译成 .luac 文件之后，会交给 Lua 虚拟机执行。
• lua54.exe： Lua 解释器的可执行文件，我们通过它来执行 Lua 脚本（后缀名为 .lua），或者通过交互模式运行 Lua 代码。当然在执行 Lua 代码之前，会先通过 Lua 编译器将其编译成字节码。只不过编译器的实现没有和虚拟机集成在一起，而是单独抽离成了 luac54.exe（会在编译 Lua 代码时被 lua54.exe 所调用）。
• lua54.dll： Lua 虚拟机依赖的动态链接库（DLL）文件，它提供了运行 Lua 脚本的功能，其他程序可以通过加载这个 DLL 文件来嵌入 Lua 解释器，从而执行 Lua 脚本。
• wlua54.exe：这是 Windows 平台上 Lua 解释器的可执行文件，它与 lua54.exe 的功能相同，但具有 Windows 特定的支持和接口，wlua54.exe 可以用于在 Windows 系统上执行 Lua 脚本，我们直接用 lua54.exe 即可。

可以看到 luac54.exe、lua54.exe、lua54.dll 组合起来，便构成了整个 Lua 解释器，而大小加起来还不到 800K，所以引入 Lua 扩展之后的应用程序，大小几乎没有变化，但是却极大地方便了程序的开发。特别是在游戏领域，对于端游来说，脚本还算是锦上添花的东西，但对于手游来说，脚本就是刚需了。

然后将该目录设置到环境变量中，通过在终端中输入 lua54，即可进入到 Lua 的交互式环境中。这里我就不演示了，下面会使用 IDE 进行操作，关于 IDE，我这里使用的是 PyCharm，下载一个 Lua 的插件即可。下面老规矩，我们来打印一个 "hello world"，这个仪式感不能丢。创建一个 main.lua，里面写上一行打印语句。

print("Hello World") 

执行的时候，在控制台就会显示出 "hello world"。估计有小伙伴觉得，你这写的是 Python 吧。其实，Lua 中的打印函数也是 print，并且也是内置的，并且 Lua 中的字符串可以使用单引号、也可以使用双引号，当然三引号不可以。

Lua 是怎么执行代码的？

在 Lua 的行话里，一段可以被 Lua 解释器解释执行的代码就叫作 chunk。因此 chunk 可以很小，小到只有一两条语句，也可以很大，大到包含成千上万条语句和复杂的函数定义。前面提到过，为了获得较高的执行效率，Lua 并不是直接解释执行 chunk，而是先由编译器编译成内部结构（其中包含字节码等信息），然后再由虚拟机执行字节码。这种内部结构在 Lua 里就叫作预编译（Precompiled）chunk，由于采用了二进制格式，所以也叫二进制（Binary）chunk。

我们以 Java 和 Python 作为对照，存放 chunk 的源文件（一般以 .lua 为后缀）对应 .java 源文件和 .py 源文件，二进制 chunk 则对应编译好的 class 文件和 pyc 文件。Java 的 class 文件和 Python 的 pyc 文件里面除了字节码外，还有常量池、符号表等信息。类似地，二进制 chunk 里也有这些信息。当然啦，Lua 程序员一般不需要关心二进制 chunk，因为 Lua 解释器会在内部进行编译。

假设当前有一个 main.lua 文件，我们直接通过 lua54 main.lua 即可执行，内部会自动编译。当然啦，我们也可以先编译，再执行。

• luac54 -o main.luac main.lua
• lua54 mian.luac

先手动将 main.lua 编译成 main.luac，然后 luc54.exe 直接执行 main.luac 即可。

需要说明的是，在 Lua 5.3 以及之前的版本，编译器的名字就叫 luac.exe，解释器的名字叫 lua.exe。但我当前下载的版本，里面带上了 54，表示具体版本。后续为了方便，有时候会把 luac54 说成 luac，把 lua54 说成 lua，不过名字什么的无所谓，大家知道就好。

然后再来说一说 luac，它主要有两个用途：第一，作为编译器，把 Lua 源文件编译成二进制 chunk 文件：第二，作为反编译器，分析二进制 chunk，将信息输出到控制台。

编译 Lua 源文件

将一个或者多个文件名作为参数调用 luac 命令就可以编译指定的 Lua 源文件，如果编译成功，在当前目录下会出现 luac.out 文件，里面的内容就是对应的二进制 chunk。如果不想使用默认的输出文件，可以使用 -o 选项对输出文件进行明确指定。

luac54 main.lua  # 生成 luac.out
luac54 -o main.luac main.lua  # 生成 main.luac

编译生成的二进制 chunk 默认包含调试信息（行号、变量名等），可以使用 -s 选项告诉 luac 去掉调试信息。另外，如果仅仅想检查语法是否正确，不想产生输出文件，可以使用 -p 选项进行编译。

luac54 -s main.lua  # 生成 luac.out，不包含调试信息
luac54 -s -o main.luac main.lua  # 生成 main.luac，不包含调试信息

luac54 -p main.lua  # 只进行语法检查

Lua 编译器以函数为单位进行编译，每一个函数都会被 Lua 编译器编译为一个内部结构，这个结构叫作原型（Prototype）。原型主要包含 6 部分内容，分别是：函数基本信息（包括参数数量、局部变量数量等）、字节码、常量表、Upvalue表、调式信息、子函数原型列表。由此可知，函数原型是一种递归结构，并且 Lua 源码中函数的嵌套关系会直接反映在编译后的原型里。

细心的你一定会想到这样一个问题：main.lua 里面只有一条打印语句，并没有定义函数，那么 Lua 编译器是怎么编译这个文件的呢？由于 Lua 是脚本语言，如果我们每执行一段脚本都必须要定义一个函数，岂不是很麻烦？所以这个吃力不讨好的工作就由 Lua 编译器代劳了。

Lua编译器会自动为我们的脚本添加一个 main 函数（即主函数），并且把整个程序都放进这个函数里，然后再以它为起点进行编译，那么自然就把整个程序都编译出来了。这个主函数不仅是编译的起点，也是未来 Lua 虚拟机解释执行程序时的入口。而我们写的 Hello World 程序被 Lua 编译器加工之后，就变成了下面这个样子。

function main()
    print("Hello World")
    return
end

把主函数编译成函数原型后，Lua 编译器会给它再添加一个头部（Header），然后一起 dump 成 luac.out 文件，这样一份热乎的二进制chunk文件就新鲜出炉了。

如果对上面这些内容不是太理解也没关系，目前只是从宏观的角度上简单聊一下，后续会详细解释。

查看二进制 chunk

二进制 chunk 之所以使用二进制格式，是为了方便虚拟机加载，然而对人类却不够友好，因为其很难直接阅读。而 luac命令兼具编译和反编译功能，使用 -l 选项可以将 luac 切换到反编译模式。

luac54 -l main.luac

反编译的结果如下：

里面的指令代表啥，暂时先不需要知道，后续会一一介绍。

小结

以上我们就简单介绍了一下 Lua，了解了一下它的定位，以及基本结构。下一篇文章，我们来学习 Lua 的数据结构。