本篇文章是Lua设计与实现专栏的第三篇，主要结合了《Lua设计与实现》书中的第五章(虚拟机)，以及lua5.3源码进行一些总结，由于原书中主要是基于lua5.1进行书写的，所以可能会有跟书中列举代码不一致的地方，不过大体上是保持一致的。
同时，本文虚拟机的概念和类型划分的内容主要参考了这篇blog的，里面讲的挺详细的。
虚拟机基本概念
虚拟机指借助软件系统对物理机器指令执行进行的一种模拟。首先，对于物理机器的执行，主要是机器从内存中fetch指令，通过总线传输到CPU，然后进行译码、执行、结果存储等步骤。既然虚拟机是对其进行的一种模拟，那么也逃不过以下几个特点：
- 将源码编译成VM所能执行的字节码。
- 字节码格式(指令格式)，例如三元式、四元式、波兰式等。
- 函数调用的相关栈结构，函数的出入口和传参方式。
- 指令指针，类似于物理机的指令寄存器(EIP)。
- 虚拟CPU。 instruction dispatcher。
- 取指：通过IP fetch下一条指令
- 译码：对指令进行翻译，得到指令类型，并且解析其操作数。
- 执行：跳到对应逻辑块进行执行。
栈式虚拟机和寄存器式虚拟机
虽然虚拟机的实现都逃不过以上几步，但是以具体实现来看，又分为两大类：栈式和寄存器式。
栈式虚拟机
采用栈式虚拟机的语言有JVM、CPython以及.Net CLR等。 它的概念很简单，就是所有的指令执行，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。流程如下图：
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。
寄存器式虚拟机
采用寄存器式的虚拟机有lua和Dalvik等。 这种实现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。具体的栈帧可以参考后文讲CallInfo时的栈帧图。 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里的字节码叫做opcode，本文正文将对"源码->字节码生成->字节码执行"这整个流程进行介绍，并对其中的关键函数和数据结构进行源码级别的剖析。
关键函数和结构分析
luaL_dofile：包含了luaL_loadfile和lua_pcall两个步骤，分别对应了函数的解析和执行阶段。
luaL_loadfile：会调用具体的parser，对lua文件进行进行词法和语法分析，把source转化成opcode，并创建Proto结构保存该opcode和该函数的元信息。 Proto结构如下：
该结构基本涵盖了parse阶段该函数的所有分析信息。主要包括以下几部分：
- 常量表。比如在函数里写了a = 1 + 2，那这里的1和2就会放在常量表里。
- 局部变量信息。包含了局部变量的名字和它在函数中的生存周期区间(用pc来衡量)。
- Upvalue信息。包含了该upvalue的名字和它是否归属于本函数栈还是外层函数栈的标记。
- opcode列表。包含了该函数实际调用的所有指令。其实就是一个int32类型的列表，因为lua虚拟机里每个指令对应一个int32.
lua_pcall：这个函数最终会调到luaD_call，也就是lua虚拟机里函数执行的主要函数。
从代码里可以看出，luaD_call的调用分为两步：
- luaD_precall：
- 如果是C函数或者C闭包，会直接创建单个函数调用的运行时结构CallInfo，来完成函数的进栈和出栈。
- 如果是lua闭包，在precall中只会做函数调用前的准备工作，实际执行会在后一步luaV_execute中进行。这里的准备工作主要包括：(1)处理lua的不定长参数、参数数量不够时的nil填充等。(2)分配CallInfo结构，并填充该函数运行时所需的base、top、opcode等信息，注意CallInfo结构里还有个很关键的func字段，它指向栈里对应的LClosure结构，这个结构为虚拟机后续执行提供upvalue表和常量表的查询，毕竟后续对常量和upvalue的read操作，都是需要把它们从这两个表中加载到寄存器里的。
- luaV_execute：这一步就是我们前面提到的lua虚拟机的CPU了，因为所有指令的实际执行都是在这个函数里完成的。它做的主要工作，就是在一个大循环里，不断的fetch和dispatch指令。每次的fetch就是把pc加1，而dispatch就是一个大的swtich-case，每个不同类型的opcode对应不同的执行逻辑。举一个创建table的例子：
在该指令中，会首先对32位指令进行位操作，得到该table的初始数组和hash表部分的大小b和c，然后调用luaH_new来创建table，最后根据b和c的值，对table进行resize操作。
另外，前面提到的CallInfo结构，包含了单个函数调用，lua虚拟机所需要的辅助数据结构，它的结构如下：
下图是lua虚拟机在执行第二个函数时的一个栈示意图：
我们来看下lua_State里与之相关的几个字段：
- stack。TValue*类型，记录了"内存"起始地址。
- base。TValue*类型，记录当前函数的第一个参数位置。
- top。TValue*类型，记录当前函数的栈顶。
- base_ci。当前栈里所有的函数调用CallInfo数组。
- ci。当前函数的CallInfo。
可以发现，通过这样的组织结构，luavm可以方便的获取到任意函数的位置以及其中的所有参数位置。而每个CallInfo里又记录了函数的执行pc，因此vm对函数的执行可以说是了如指掌了。
指令格式
前文已经提到，lua虚拟机的单条指令长度为32位。其位分布如下图所示：
这里的OpCode，就是指令的类型，由于其只有6位，所有lua最多支持63种指令类型。而对于A、B、C、Bx、sBx等，都是该指令的参数，参数的值通常指的是一个相对偏移，例如相对于当前函数base的偏移，相对于常量表头的偏移等。另外，根据指令的不同，参数个数和类型也可能不同。来看几个常用的例子：
- 从变量赋值：
其实就是简单的把寄存器RB(i)的值赋值到寄存器RA(i)中去，这里的寄存器指的就是我们栈里头的某个坑位。 所以这里的RA和RB宏，都是一个栈地址获取操作，全部的定义如下：
这些宏的内部实现主要分为2步：
- 通过GETARG_XXX(i)从当前指令中获取参数XXX的值
- 用函数base或者常量表base去加这个参数值得到最终的栈(寄存器)地址。
- 从常量赋值：
与变量赋值唯一的不同，就是RB是基于常量表的偏移。
- 设置table字段：
这里不上代码了，这里RK是一个条件宏，因为我有可能是t[a] = b, 也可能是t1 = b，key如果是变量a，说明a肯定是在函数栈里头的变量，对应的寻址就用RB，而如果key是1，说明它不存在函数栈里头，而是在函数常量表里头，寻址就用KB。
简单例子
我们结合一个简单的lua chunk，decompile一下它生成的byte code(这里decode使用的也是书中介绍的ChunkSpy工具，目前已支持了5.3)，从而加深理解：
我们先来看下该chunk对应的函数，在生成的字节码里，称之为level 1 function：
一个函数最终的字节码，基本就包含三块：
- 常量表
- upvalue表
- code。所有的字节指令，都是在玩常量表、upvalue表和寄存器栈。可以结合具体的指令来理解。
我们再来看下定义在chunk里的testFunc函数，它被称为level 2函数，如果我在testFunc里还嵌套了子函数，称为level 3函数，以此类推。该函数的字节码与level 1的格式基本一致，这里就直接上图，不逐行解释了：
总结
虚拟机执行流程图
在梳理完整个lua虚拟机的源码分析，opcode的生成和执行逻辑以后，我们可以上书中的一个总流程图来回顾一下：
这个图中最核心的两块，一个是Proto结构，它是分析阶段和执行阶段的桥梁；另一个是OpCode的执行，这一块可以结合前面虚拟机概念，以及Stack-based和Register-based VM的区别一起理解，包括但不限于：从CallInfo里fetch指令，指令执行时的switch case跳转和操作数的寻址，运行时的栈帧布局，lua_State中的关键字段等等。 本文的总结就到这里，后面有时间可能会啃一啃书中第六章“指令的解析与执行”，因为这两章其实联系比较紧密，到时候如果有新的收获也会同步到这边来。
