C++如何实现与Lua相互调用

今天小编给大家分享一下C++如何实现与Lua相互调用的相关知识点，内容详细，逻辑清晰，相信大部分人都还太了解这方面的知识，所以分享这篇文章给大家参考一下，希望大家阅读完这篇文章后有所收获，下面我们一起来了解一下吧。

概述

从本质上来看，其实说是不存在所谓的C++与lua的相互调用。lua是运行在C上的，简单来说lua的代码会被编译成字节码在被C语言的语法运行。在C++调用lua时，其实是解释运行lua文件编译出来的字节码。lua调用C++其实还是解释运行lua文件编译出来的字节码的语义是调用lua栈上的C++函数。

示例

来看下面这段代码：

C++

#include "Inc/lua.h"#include "Inc/lauxlib.h"#include "Inc/lualib.h"#include "Inc/lobject.h"}using std::cout;using std::endl;int CAdd(lua_State* L){int a = lua_tonumber(L, 2);int b = lua_tonumber(L, 1);;int sum = a + b;lua_pushnumber(L, sum);return 1;}int main(){lua_State* L = luaL_newstate();luaL_openlibs(L);lua_register(L, "CAdd", CAdd);int stat = luaL_loadfile(L, "Test.lua") | lua_pcall(L, 0, 0, 0);if (stat){cout << "error" << endl;}else{cout << "succ" << endl;}lua_close(L);return 0;}

lua

local x = CAdd(1, 2)print("x = " .. tostring(x))

运行结果：

考虑上述C++代码luaL_loadfile去加载并调用lua，lua又调用了C++注册到lua虚拟机里的CAdd函数并正确打印了返回值，结果如图所示。到底发生了什么？

C++调用lua

C++调用lua时，是对lua代码进行编译生成字节码，在运行时对字节码使用C的语法解释运行。

对luaL_loadfile调试，跟到f_parser：

static void f_parser (lua_State *L, void *ud) {  LClosure *cl;  struct SParser *p = cast(struct SParser *, ud);  int c = zgetc(p->z);    if (c == LUA_SIGNATURE[0]) {    checkmode(L, p->mode, "binary");    cl = luaU_undump(L, p->z, p->name);  }  else {    checkmode(L, p->mode, "text");    cl = luaY_parser(L, p->z, &p->buff, &p->dyd, p->name, c);  }  lua_assert(cl->nupvalues == cl->p->sizeupvalues);  luaF_initupvals(L, cl);}

简单来说，parser根据输入进行词法，语法分析进行编码生成闭包，然后推入栈中等待调用。来看几个用到的数据结构。

LClosure

typedef struct LClosure {  ClosureHeader;  struct Proto *p;  UpVal *upvals[1];  //被捕获的外局部变量} LClosure;

这是lua的闭包，此外还有CClosure是c的闭包，下面lua调用C++会提到，它们被Closure联合体包裹。

Proto

typedef struct Proto {  CommonHeader;  lu_byte numparams;    lu_byte is_vararg;  lu_byte maxstacksize;    int sizeupvalues;    int sizek;    int sizecode;  int sizelineinfo;  int sizep;    int sizelocvars;  int linedefined;    int lastlinedefined;    TValue *k;    Instruction *code;  //codes  struct Proto **p;    int *lineinfo;    LocVar *locvars;    Upvaldesc *upvalues;    struct LClosure *cache;    TString  *source;    GCObject *gclist;} Proto;

Instruction *code;注意这个变量，这个变量就是指向我们编译后生成字节码数组的指针。

FuncState

typedef struct FuncState {  Proto *f;    struct FuncState *prev;    struct LexState *ls;    struct BlockCnt *bl;    int pc;    int lasttarget;     int jpc;    int nk;    int np;    int firstlocal;    short nlocvars;    lu_byte nactvar;    lu_byte nups;    lu_byte freereg;  } FuncState;

FuncState互相是嵌套的，外部FuncState保存了内部的部分信息，最外部的FuncState的f成员保存了编译的所有字节码，并传递给闭包LClosure。

编译lua流程

以加载lua脚本为例。

• f_parser调用luaY_parser分析，并初始化Upvalues（外局部变量）。

• luaY_parser 使用LexState包裹FuncState调用luaX_next进行进一步分析，其结果保存到Proto结构的code数组中，传递给LClosure并推入栈中。

• luaX_next循环分析，依据词法，语法规则调用luaK_code生成字节码。
  部分代码：

static void statement (LexState *ls) {  int line = ls->linenumber;    enterlevel(ls);  switch (ls->t.token) {    case ';': {        luaX_next(ls);        break;    }    case TK_IF: {        ifstat(ls, line);      break;    }    //..................... }}

运行

编译代码后，便可对闭包进行解析运行了。调试代码上述 lua_pcall(L, 0, 0, 0) 代码，跟到luaD_call：

void luaD_call (lua_State *L, StkId func, int nResults) {  if (++L->nCcalls >= LUAI_MAXCCALLS)    stackerror(L);  if (!luaD_precall(L, func, nResults))      luaV_execute(L);    L->nCcalls--;}}

首先调用luaD_precall进行预备工作，lua_state扩展base_ci(CallInfo类型)数组创建一个新元素保存括虚拟机的指令指针（lua_state->savedpc）在内的调用堆栈的状态以便调用结束后恢复调用堆栈，并把指令指针指向该闭包的指令数组（Closure->p->codes）。

然后调用luaV_execute循环取出指令运行。

luaV_execute解释执行部分代码:

void luaV_execute (lua_State *L) {  CallInfo *ci = L->ci;  LClosure *cl;  TValue *k;  StkId base;  ci->callstatus |= CIST_FRESH;   newframe:    lua_assert(ci == L->ci);  cl = clLvalue(ci->func);    k = cl->p->k;    base = ci->u.l.base;      for (;;) {    Instruction i;    StkId ra;    vmfetch();    vmdispatch (GET_OPCODE(i)) {      vmcase(OP_MOVE) {        setobjs2s(L, ra, RB(i));        vmbreak;      }   //............................  }}

CallInfo

函数执行时，lua_state通过CallInfo 数据结构了解函数的状态信息，并通过CallInfo组base_ci的上下生长来维护调用堆栈。

typedef struct CallInfo {  StkId func;    StkIdtop;    struct CallInfo *previous, *next;    union {    struct {        StkId base;        const Instruction *savedpc;    } l;    struct {        lua_KFunction k;        ptrdiff_t old_errfunc;      lua_KContext ctx;      } c;  } u;  ptrdiff_t extra;  short nresults;    unsigned short callstatus;} CallInfo;

lua调用C++

lua调用C++，是上述C++调用lua时即c的语法解释运行lua代码生成的字节码的一种情况，即取出lua状态机全局表中的CClosure中的函数指针运行。

来看下向lua状态机注册C++函数lua_register

#define lua_pushcfunction(L,f)lua_pushcclosure(L, (f), 0)#define lua_register(L,n,f) (lua_pushcfunction(L, (f)), lua_setglobal(L, (n)))LUA_API void lua_pushcclosure (lua_State *L, lua_CFunction fn, int n) {  lua_lock(L);  if (n == 0) {    setfvalue(s2v(L->top), fn);    api_incr_top(L);  }  else {    CClosure *cl;    api_checknelems(L, n);    api_check(L, n <= MAXUPVAL, "upvalue index too large");    cl = luaF_newCclosure(L, n);    cl->f = fn;    L->top -= n;    while (n--) {      setobj2n(L, &cl->upvalue[n], s2v(L->top + n));          }    setclCvalue(L, s2v(L->top), cl);    api_incr_top(L);    luaC_checkGC(L);  }  lua_unlock(L);}

可以看到这里最终创建了一个CCloseure,包裹住lua_CFunction类型的函数指针并推入栈顶和放入全局表中。

typedef int (*lua_CFunction) (lua_State *L);typedef struct CClosure {  ClosureHeader;  lua_CFunction f;  TValue upvalue[1];  } CClosure;

可以看到CClosure包含了一个lua_CFunction类型的函数指针和upvalue的链表

解释运行调用语义

循环解释字节码语义的关于调用的部分

void luaV_execute (lua_State *L, CallInfo *ci) {//...vmcase(OP_CALL) {        int b = GETARG_B(i);        int nresults = GETARG_C(i) - 1;        if (b != 0)            L->top = ra + b;                  ProtectNT(luaD_call(L, ra, nresults));        vmbreak;      }//...}

可以看到调用语义的解释调用了luaD_call

void luaD_call (lua_State *L, StkId func, int nresults) {  lua_CFunction f;   retry:  switch (ttypetag(s2v(func))) {    case LUA_VCCL:        f = clCvalue(s2v(func))->f;      goto Cfunc;    case LUA_VLCF:        f = fvalue(s2v(func));     Cfunc: {      int n;        CallInfo *ci = next_ci(L);      checkstackp(L, LUA_MINSTACK, func);        ci->nresults = nresults;      ci->callstatus = CIST_C;      ci->top = L->top + LUA_MINSTACK;      ci->func = func;      L->ci = ci;      lua_assert(ci->top <= L->stack_last);      if (L->hookmask & LUA_MASKCALL) {        int narg = cast_int(L->top - func) - 1;        luaD_hook(L, LUA_HOOKCALL, -1, 1, narg);      }      lua_unlock(L);      n = (*f)(L);        lua_lock(L);      api_checknelems(L, n);      luaD_poscall(L, ci, n);      break;    }//...

可以看到这里取到了上述Closure中的函数指针并进行调用。

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