Lua 调试库

Lua 调试库 

 

Q：什么是活动函数？

A：程序中被调用但还未执行完成的函数。

function g()
    --[[ 此时函数"g"被调用但还未执行完成，是活动函数。所以这里获取的是函数"g"的信息。
         "debug.getinfo(2)"获取的才是函数"f"的信息。]]
    local x = debug.getinfo(1, "n")
    for k, v in pairs(x) do 
        print(k, v)
    end 
end

function f()
    -- 此时函数"f"被调用但还未执行完成，是活动函数。所以这里获取的是函数"f"的信息。
    local x = debug.getinfo(1, "n")
    for k, v in pairs(x) do 
        print(k, v)
    end 
    print()

    g()
end

f()
--[[ result: 
     namewhat        global
     name    f

     namewhat        global
     name    g
]]

Q：什么是调用栈？

A：Lua存储活动函数所使用的栈。每个线程都有自己独立的调用栈。

Q：什么是调用栈的级别？

A：调用调试库函数的函数的栈级别是1，调用该函数的函数的栈级别是2，以此类推。

function foo()
    -- 调用调试库的函数。
    ...
end

function goo()
    foo()
end

function hoo()
    goo()
end

--[[ 被调用的调试库函数栈级别为0，"foo"的栈级别为1，"goo"的栈级别为2，"hoo"的栈级别为3。
     如果还有别的函数调用"hoo()"，则栈级别以此类推。]]
hoo()    

Q：如何查看调用栈信息？

A：

--[[ debug.traceback([thread,] [message [, level]])
     首先打印"message"，接着从第"level"个栈级别开始打印"thread"线程中的调用栈信息。
     如果"message"不是字符串或"nil"，则函数不做任何处理直接返回"message"。
     "thread"默认为当前线程，"level"默认为1。]]
function foo()
    print(debug.traceback("This is traceback: "))
    print()
    print(debug.traceback("Traceback from stack_level 2: ", 2))
    print()
    print(debug.traceback({}))
end

function goo()
    foo()
end

function hoo()
    goo()
end

hoo()
--[[ results: 
     This is traceback: 
     stack traceback:
             E:\a.lua:2: in function 'foo'
             E:\a.lua:8: in function 'goo'
             E:\a.lua:12: in function 'hoo'
             E:\a.lua:15: in main chunk
             [C]: in ?

     Traceback from stack_level 2: 
     stack traceback:
             E:\a.lua:8: in function 'goo'
             E:\a.lua:12: in function 'hoo'
             E:\a.lua:15: in main chunk
             [C]: in ?

     table: 00522F78
]]

Q：如何查看函数信息？

A：

--[[ debug.getinfo([thread,] f [, what])
     返回一个"table"，其中包含线程"thread"中的函数"f"由"what"指定的相关信息。
     "thread"默认为当前线程。"f"可以是函数名，也可以是一个数值，如果是数值则代表该函数的栈级别。
     如果通过名字指定的函数不存在，则报错；如果通过数值指定的函数不存在，则返回"nil"。
     如果"what"不指定，默认情况下返回除合法行号表外的所有域：
         source: 创建这个函数的"chunk"的名字。 
                 如果"source"以'@'打头，表示这个函数定义在一个文件中，而'@'之后的部分就是文件名。
                 若"source"以'='打头，表示之后的部分由用户行为来决定如何表示源码。
                 其它的情况下，这个函数定义在一个字符串中，而"source"正是那个字符串。
         short_src: 一个“可打印版本”的"source"，用于出错信息。
         linedefined: 函数定义开始处的行号。
         lastlinedefined: 函数定义结束处的行号。
         what: 如果函数是一个Lua函数，则为一个字符串"Lua"；
               如果是一个C函数，则为"C"；
               如果是一个"chunk"的主体部分，则为"main"。
         currentline: 给定函数正在执行的那一行。当提供不了行号信息的时候，"currentline"被设为-1。
         name: 给定函数的一个合理的名字。
               因为Lua中的函数是"first-class values"，所以它们没有固定的名字。
               一些函数可能是全局复合变量的值，另一些可能仅仅只是被保存在一个"table"的某个域中。
               Lua会检查函数是怎样被调用的，以此来找到一个适合的名字。
               如果它找不到名字，该域就被设置为"NULL"。
         namewhat: 用于解释"name"域。
                   其值可以是"global"，"local"，"method"，"field"，"upvalue"，或是""，
                   这取决于函数怎样被调用。（Lua用空串表示其它选项都不符合）
         istailcall: 如果函数以尾调用形式调用，这个值为"true"。在这种情况下，当前栈级别的调用者不在栈中。
         nups: 函数的"upvalue"个数。
         nparams: 函数固定形参个数（对于C函数永远是0）。
         isvararg: 如果函数是一个可变参数函数则为"true"（对于C函数永远为"true"）。
         func: 函数本身。
         activelines: 合法行号表。
                      表中的整数索引用于描述函数中哪些行是有效行。
                      有效行指有实际代码的行，即你可以置入断点的行。无效行包括空行和只有注释的行。
     "what"可以指定如下参数，以指定返回值"table"中包含上面所有域中的哪些域：
         'n': 包含"name"和"namewhat"域；
         'S': 包含"source"，"short_src"，"linedefined"，"lastlinedefined"以及"what"域；
         'l': 包含"currentline"域；
         't': 包含"istailcall"域；
         'u': 包含"nup"，"nparams"以及"isvararg"域；
         'f': 包含"func"域；
         'L': 包含"activelines"域；]]
-- 简易版"debug.traceback()"。
function traceback()
    local level = 1
    while true do
        local info = debug.getinfo(level, "Sl")
        if not info then break end
        if info.what == "C" then     -- is a C function?
            print(level, "C function")
        else     -- a Lua function
            print(string.format("[%s]:%d", info.short_src, info.currentline))
        end
        level = level + 1
    end
end

Q：如何调试函数局部变量信息？

A：

--[[ debug.getlocal([thread,] f, local)
     返回在线程"thread"中栈级别为"f"处函数的索引为"local"的局部变量的名字和值。
     "thread"默认为当前线程。此函数不仅用于访问显式定义的局部变量，也包括形参、临时变量等。
     函数"f"中第一个形参或是定义的第一个局部变量的索引为1，然后遵循在代码中定义的顺序索引值递增，
     只计算函数当前作用域中的活动变量。
     负索引代表可变参数。-1指第一个可变参数，以此类推。如果指定的"local"处没有变量，则返回"nil"。
     如果指定的"f"越界，则报错。（你可以调用"debug.getinfo()"来检查栈级别是否合法）
     以'('开头的变量名表示没有名字的变量（比如是循环控制用到的控制变量，或是去除了调试信息的代码块）。
     "f"也可以是一个函数。这种情况下，此函数仅能返回"f"形参的名字。]]
function foo(a, b)    -- 1, 2
    local x    -- 3
    do local c = a - b end    -- "c"的作用范围只在"do-end"之间，所以不会在函数"foo"中被计数。
    local a = 1    -- 4
    while true do
        local name, value = debug.getlocal(1, a)    -- 这里的"a"是上面"local a = 1"的"a"。
        if not name then break end
        print(name, value)
        a = a + 1    -- 索引+1，下一个变量。
    end
end

foo(10, 20)
--[[ result: 
     a       10
     b       20
     x       nil
     a       4
]]
print()
for i = 1, 4 do 
    print(debug.getlocal(foo, i))    -- 提供函数名字，只能打印其形参。
end
--[[ result: 
     a
     b
     nil
     nil
]]

--[[ debug.setlocal([thread,] level, local, value)
     与"debug.getlocal()"的功能相对，
     将"value"赋给"thread"线程中栈级别为"level"处函数的索引为"local"的局部变量。
     "thread"默认为当前线程。"level"只能指定为栈级别，而不能指定为函数名称。
     关于索引以及异常返回值，参见"debug.getlocal"函数。
     如果执行成功，函数返回局部变量的名字。]]
function foo(a, b)    -- 1, 2
    local x    -- 3
    do local c = a - b end    -- "c"的作用范围只在"do-end"之间，所以不会在函数"foo"中被计数。
    local a = 1    -- 4
    print(debug.getlocal(1, 1))    -- a    10
    debug.setlocal(1, 1, 50)
    print(debug.getlocal(1, 1))    -- a    50
end

foo(10, 20)

Q：如何调试”metatable”信息？

A：

--[[ debug.getmetatable(value)
     返回"value"的"metatable"，若"value"没有"metatable"则返回"nil"。

     debug.setmetatable(value, table)
     将"value"的"metatable"设置为"table"（可以为"nil"），函数返回"value"。]]
local t1 = {__index = function (table, key)
        return "metatable 1"
    end
}

local t2 = {__index = function (table, key)
        return "metatable 2"
    end
}

local t = {}
setmetatable(t, t1)
print(t1, debug.getmetatable(t))    --> table: 00802C50    table: 00802C50
debug.setmetatable(t, t2)
print(t2, debug.getmetatable(t))    --> table: 00802D60    table: 00802D60

Q：如何调试”userdata”信息？

A：

--[[ debug.getuservalue(u)
     返回关联在"u"上的Lua值。如果"u"不是"userdata"，则返回"nil"。

     debug.setuservalue(udata, value)
     将"value"设置为"udata"的关联值。"udata"必须是一个"full userdata"。]]

附加：

1、尽可能只在调试过程中使用调试库中的函数。首先，库中一些函数的性能并不卓越。其次，它打破了Lua语言中一些基本的规则，比如函数中定义的局部变量无法在其外部被访问。最后，你一定不希望在你的最终产品中见到它的身影，所以你可以使用，debug = nil来剔除调试库，同时减少最终产品的大小。 
2、debug.getinfo()对于”Tail Calls”，只将被包裹函数计入栈级别的计算，包裹函数不计入，

function g()
    local x = debug.getinfo(1)    -- 这里获取的是函数"g"的信息。函数"f"不计入栈级别的计算。

    for k, v in pairs(x) do 
        print(k, v)
    end 
end

function f()
    return g()
end

f()

所以要查看”Tail Calls”的包裹函数信息，请直接指定函数名。

 

Q：如何调试”Closure”的”upvalue”信息？

A：

--[[ debug.getupvalue(f, up)
     返回函数（"Closure"）"f"的第"up"个"upvalue"的名字和值。
     Lua按照"upvalues"在匿名函数中出现的顺序对其编号。如果指定的"up"索引越界，则返回"nil"。
     以'('开头的变量名表示没有名字的变量（比如是循环控制用到的控制变量，或是去除了调试信息的代码块）。

     debug.setupvalue(f, up, value)
     与"debug.setupvalue()"的功能相对，将函数"f"（"Closure"）的第"up"个"upvalue"的值设置为"value"。
     函数返回被设置的"upvalue"的名字。如果指定的"up"索引越界，则返回"nil"。

     注：获取与设置"upvalue"与"Closure"是否被调用（是否在调用栈上）无关。]]
-- "Closure"。
function newCounter ()
    local n = 0
    local k = 0
    return function ()
        k = n
        n = n + 1
        return n
    end
end

counter = newCounter()
print(counter())
print(counter())
-- 此时"k"是1，"n"是2。

local i = 1
repeat
    name, val = debug.getupvalue(counter, i)
    if name then
        print ("index", i, name, "=", val)    -- 依次输出两个"upvalues"的名字和值。
        if(name == "n") then
            debug.setupvalue (counter, 2, 10)    -- 设置"n"的值为10。
        end
        i = i + 1
    end
until not name
-- 此时"n"的值被设置为10。
print(counter())
-- 在此调用后"n"的值被加1，变为11。
--[[ results: 
     1
     2
     index    1    k    =    1
     index    2    n    =    2
     11
]]

--[[ debug.upvaluejoin(f1, n1, f2, n2)
     让"Closure""f1"的第"n1"个"upvalue"引用"Closure""f2"的第"n2"个"upvalue"。

     debug.upvalueid(f, n)
     返回指定"Closure""f"的第"n"个"upvalue"的标识符
     （一个轻量用户数据，每个"upvalue"的标识符唯一）。
     这个标识符可以让程序检查两个不同的"Closure"是否共享了相同的"upvalue(s)"。 ]]
function newCounter()
    local n = 0
    local k = 0
    return function ()
        k = n
        n = n + 1
        return n
    end
end
counter = newCounter()

function newCounter1()
    local n = 0
    local k = 0
    return function ()
        k = n
        n = n + 1
        return n
    end
end
counter1 = newCounter1()

-- 每个"upvalue"都有自己独有的ID。
print(debug.upvalueid(counter, 1))    --> userdata: 00559300
print(debug.upvalueid(counter, 2))    --> userdata: 00559348
print(debug.upvalueid(counter1, 1))    --> userdata: 005593D8
print(debug.upvalueid(counter1, 2))    --> userdata: 00559420

-- 让"counter"的第一个"upvalue"引用"counter1"的第二个"upvalue"。
debug.upvaluejoin(counter, 1, counter1, 2)

-- "counter"的第一个"upvalue"与"counter1"的第二个"upvalue"的ID相同。
print(debug.upvalueid(counter, 1))    --> userdata: 00559420
print(debug.upvalueid(counter, 2))    --> userdata: 00559348
print(debug.upvalueid(counter1, 1))    --> userdata: 005593D8
print(debug.upvalueid(counter1, 2))    --> userdata: 00559420

Q：如何追踪程序的运行？

A：

--[[ debug.sethook([thread,] hook, mask [, count])
     将函数"hook"设置为线程"thread"的钩子函数。
     "mask"决定钩子函数何时被触发，"count"决定何时额外的调用一次钩子函数。
     "thread"默认为当前线程。"count"默认为0，
     钩子函数将在每运行"count"条指令时额外的调用一次钩子函数，向钩子函数传递事件"count"。
     "mask"可以指定为如下值的一个或多个：
         'c': 每当Lua调用一个函数时，调用钩子函数，向钩子函数传递事件"call"或"tail call"；
         'r': 每当Lua从一个函数内返回时，调用钩子函数，向钩子函数传递事件"return"；
         'l': 每当Lua进入新的一行时，调用钩子函数，向钩子函数传递事件"line"。
     当钩子函数被调用时，第一个参数是触发这次调用的事件。对于"line"事件，有第二个参数，为当前行号。
     函数不传参，则为关闭钩子函数。]]
debug.sethook(print, "crl")

function foo()
    local a = 1
end

local x = 1
foo()
local y = 1
--[[ results: 
     return  nil
     line    5
     line    3
     line    7
     line    8
     call    nil
     line    4
     line    5
     return  nil
     line    9
     return  nil
     return  nil
]]

--[[ debug.gethook([thread])
     返回钩子函数的内存地址，钩子函数的掩码，"debug.sethook()"为钩子函数设置的"count"。]]
debug.sethook(print, "l", 9)
print(debug.gethook())
debug.sethook()    -- 关闭钩子函数。
print(debug.gethook())    -- 没有钩子函数就什么都获取不到了。
--[[ results: 
     line    2
     function: 013D1A70    l    9
     line    3
     nil     0
]]

Q：如何查看Lua的注册表信息？

A：

--[[ debug.getregistry()
     函数返回Lua的"registry"。]]

Q：如何创建一个程序分析器？

A：调式库除了用于调式以外还可以用于完成其他任务，这种常见的任务就是分析。对于一个实时的分析来说，最好使用C接口来完成。对于每一个钩子函数其使用的Lua调用代价太大，并且通常会导致测量的结果不准确。然而，对于计数分析来说，Lua可以很好的胜任。

-- 一个记录程序中函数被调用次数的小型基本分析器。
local Counters = {}    -- key-value: 函数-计数
local Names = {}    -- key-value：函数-函数名

local function hook()
    local f = debug.getinfo(2, "f").func    -- 获取被调用的函数本身。
    if Counters[f] == nil then    -- 如果是第一次被调用。
        Counters[f] = 1
        Names[f] = debug.getinfo(2, "Sn")    -- 获取函数信息。
    else    -- 如果之前被记录过，这里只是增加其计数。
        Counters[f] = Counters[f] + 1
    end
end

local f = assert(load("print('Hello World!')"))
debug.sethook(hook, "c")    -- 当函数被调用时调用钩子函数。
f()
debug.sethook()    -- 关闭钩子函数。

-- 获取结果。
function getname(func)
    local n = Names[func]
    if n.what == "C" then    -- 如果是C函数，只返回其名字。
        return n.name
    end
    -- 如果不是C函数，返回"[file]:line"的形式。
    local loc = string.format("[%s]:%s", n.short_src, n.linedefined)
    if n.namewhat ~= "" then    -- 如果不是匿名函数，返回一个合理的名字，"[file]:line (name)"。
        return string.format("%s (%s)", loc, n.name)
    else    -- 否则只返回"[file]:line"的形式。
        return string.format("%s", loc)
    end
end

for func, count in pairs(Counters) do
    print(getname(func), count)
end
--[[ results: 
     Hello World!
     [[string "print('Hello World!')"]]:0 (f)    1
     print    1
     sethook    1
     nil    1    <-- 这个不知道是什么函数。
]]

附加：

1、在钩子函数内，你可以调用”debug.getinfo()”，指定栈级别为2， 来获得正在运行的函数的详细信息（”debug.getinfo()”的栈级别为0，钩子函数的栈级别为1）。 
2、一个打印文件名及行号的精致的追踪器，

function trace(event, line)
    local s = debug.getinfo(2).short_src
    print(s .. ":" .. line)
end

debug.sethook(trace, "l")