• lua虚拟机笔记


    1.opcode
         lua代码执行过程是:源代码先被编译成为字节码,然后虚拟机解释执行。相关模块是lopcode.c,lvm.c。lua的字节码类似汇编,也有pc寄存器这个概念,指向下一条要执行的指令,lua里面每一条指令由无符号数表示,低六位代表opcode,指示这是条什么指令(例如OP_MOVE, OP_ADD,...)。剩下的位主要是给操作数用的,像汇编中一样,lua指令的操作数也可以有不同的寻址方式,但是lua简单很多,主要是根据不同的操作指令变化,分三种模式:
         |   31 ~ 23 bit     |    22 ~ 14 bit     |   13 ~ 6 bit      |    5 ~ 0 bit     |
         |           C           |         B              |         A            |   OPCODE      |
         |                        Bx                       |         A            |   OPCODE      |
         |                       sBx                       |         A            |   OPCODE      |
    三种模式分别叫 iABC, iABx, iAsBx。
         lopcode.c中只有两个数组定义,数组luaP_opnames是opcode数值对应opcode名字的一个映射表,luaP_opmodes是opcode对应相应操作模式的一个映射表,虚拟机肯定会先取出当前指令的opcode,再在luaP_opmodes找到对应操作模式,根据模式去不同地方取操作数。
         看下每一个模式是怎么定义的:
         

    #define opmode(t,a,b,c,m) (((t)<<7) | ((a)<<6) | ((b)<<4) | ((c)<<2) | (m))

    const lu_byte luaP_opmodes[NUM_OPCODES] = {
    /*       T  A    B       C     mode             opcode     */
      opmode(0, 1, OpArgR, OpArgN, iABC)           /* OP_MOVE */
    ,opmode(0, 1, OpArgK, OpArgN, iABx)          /* OP_LOADK */
     ...
    }
      每一个操作模式都是一个字节表示,各位表示的意思lopcodes.h有说明:
        

    /*
    ** masks for instruction properties. The format is:
    ** bits 0-1: op mode
    ** bits 2-3: C arg mode
    ** bits 4-5: B arg mode
    ** bit 6: instruction set register A
    ** bit 7: operator is a test
    */ 

    enum OpArgMask {
      OpArgN,  /* argument is not used */
      OpArgU,  /* argument is used */
      OpArgR,  /* argument is a register or a jump offset */
      OpArgK   /* argument is a constant or register/constant */
    };
       简单解释如下:
       0~1:这个操作本身对应模式的枚举值,上面说了只有三个枚举值;
       2~3:操作数C的模式,主要有四种模式,OpArgN,OpArgU,OpArgR,OpArgK
       4~5: 操作数B的模式
       6:  操作数A是否被使用,1被使用,0没有
       7:这条指令是否是判定指令,为什么要这一位,因为跳转时,跳转地址已经无法在一条指令里装下,所以lua里面就用两条指令来表示了,第一条判断指令,第二条无条件跳转指令,比如OP_EQ,如果判断成功,PC加1,否则跳转。

         lopcodes.h里面定义了一系列的宏操作,方便取指令中的opcode,操作数,代码如下:
         
    ...
    ...
    /*
    ** size and position of opcode arguments.
    */
    #define SIZE_C          9
    #define SIZE_B          9
    #define SIZE_Bx          (SIZE_C + SIZE_B)
    #define SIZE_A          8

    #define SIZE_OP          6

    #define POS_OP          0
    #define POS_A          (POS_OP + SIZE_OP)
    #define POS_C          (POS_A + SIZE_A)
    #define POS_B          (POS_C + SIZE_C)
    #define POS_Bx          POS_C

    ...
    ...


    /* creates a mask with `n' 1 bits at position `p' */
    #define MASK1(n,p)     ((~((~(Instruction)0)<<n))<<p)

    /* creates a mask with `n' 0 bits at position `p' */
    #define MASK0(n,p)     (~MASK1(n,p))


    ...
    ...

    /*
    ** the following macros help to manipulate instructions
    */
    #define GET_OPCODE(i)     (cast(OpCode, ((i)>>POS_OP) & MASK1(SIZE_OP,0)))
    #define SET_OPCODE(i,o)     ((i) = (((i)&MASK0(SIZE_OP,POS_OP)) | \
              ((cast(Instruction, o)<<POS_OP)&MASK1(SIZE_OP,POS_OP))))

    #define GETARG_A(i)     (cast(int, ((i)>>POS_A) & MASK1(SIZE_A,0)))
    #define SETARG_A(i,u)     ((i) = (((i)&MASK0(SIZE_A,POS_A)) | \
              ((cast(Instruction, u)<<POS_A)&MASK1(SIZE_A,POS_A))))

    #define GETARG_B(i)     (cast(int, ((i)>>POS_B) & MASK1(SIZE_B,0)))
    #define SETARG_B(i,b)     ((i) = (((i)&MASK0(SIZE_B,POS_B)) | \
              ((cast(Instruction, b)<<POS_B)&MASK1(SIZE_B,POS_B))))

    #define GETARG_C(i)     (cast(int, ((i)>>POS_C) & MASK1(SIZE_C,0)))
    #define SETARG_C(i,b)     ((i) = (((i)&MASK0(SIZE_C,POS_C)) | \
              ((cast(Instruction, b)<<POS_C)&MASK1(SIZE_C,POS_C))))

    #define GETARG_Bx(i)     (cast(int, ((i)>>POS_Bx) & MASK1(SIZE_Bx,0)))
    #define SETARG_Bx(i,b)     ((i) = (((i)&MASK0(SIZE_Bx,POS_Bx)) | \
              ((cast(Instruction, b)<<POS_Bx)&MASK1(SIZE_Bx,POS_Bx))))

    #define GETARG_sBx(i)     (GETARG_Bx(i)-MAXARG_sBx)
    #define SETARG_sBx(i,b)     SETARG_Bx((i),cast(unsigned int, (b)+MAXARG_sBx))

    ...
    ...

    这里说下为什么 GETARG_sBx(i)     (GETARG_Bx(i)-MAXARG_sBx)?其实lopcodes.h里面有说
    /*===========================================================================
      We assume that instructions are unsigned numbers.
      All instructions have an opcode in the first 6 bits.
      Instructions can have the following fields:
         `A' : 8 bits
         `B' : 9 bits
         `C' : 9 bits
         `Bx' : 18 bits (`B' and `C' together)
         `sBx' : signed Bx

      A signed argument is represented in excess K; that is, the number
      value is the unsigned value minus K. K is exactly the maximum value
      for that argument (so that -max is represented by 0, and +max is
      represented by 2*max), which is half the maximum for the corresponding
      unsigned argument.
    ===========================================================================*/
    MAXARG_sBx正好是18bits的Bx能表示的最大数的一半,可以去看代码。


    还有取对应opcode的mode的宏定义:

    #define getOpMode(m)     (cast(enum OpMode, luaP_opmodes[m] & 3))
    #define getBMode(m)     (cast(enum OpArgMask, (luaP_opmodes[m] >> 4) & 3))
    #define getCMode(m)     (cast(enum OpArgMask, (luaP_opmodes[m] >> 2) & 3))
    #define testAMode(m)     (luaP_opmodes[m] & (1 << 6))
    #define testTMode(m)     (luaP_opmodes[m] & (1 << 7))

    这些宏定义在lvm.c里面用了很多,看下在lvm.c里面定义的取操作数的值:

    #define RA(i)     (base+GETARG_A(i))
    /* to be used after possible stack reallocation */
    #define RB(i)     check_exp(getBMode(GET_OPCODE(i)) == OpArgR, base+GETARG_B(i))
    #define RC(i)     check_exp(getCMode(GET_OPCODE(i)) == OpArgR, base+GETARG_C(i))
    #define RKB(i)     check_exp(getBMode(GET_OPCODE(i)) == OpArgK, \
         ISK(GETARG_B(i)) ? k+INDEXK(GETARG_B(i)) : base+GETARG_B(i))
    #define RKC(i)     check_exp(getCMode(GET_OPCODE(i)) == OpArgK, \
         ISK(GETARG_C(i)) ? k+INDEXK(GETARG_C(i)) : base+GETARG_C(i))
    #define KBx(i)     check_exp(getBMode(GET_OPCODE(i)) == OpArgK, k+GETARG_Bx(i))

    RA,RB,RC,是在寄存器取相应操作数,但是这里的寄存器其实就是lua的栈,指令保存的其实操作数相对函数栈base上的偏移,所以取出来都是这样 base + GETARG_X;
    RKB,RKC, 是操作数或者在寄存器中,或者就是一个常数。例如对于操作数B,当B的最高位是1,代表其是一个常数,否则代表其是寄存器变量;
    KBx,操作数Bx就是常数;

    总的来说,一条指令包含操作数(A,B,C)和操作符(opcode), 每一个opcode预定义了mode,mode包含操作数的取值fan

    2.虚拟机是如何解释指令的
    *例如简单的OP_ADD:
    虚拟机解释指令的过程主要在lvm.c函数luaC_execute中,先略去次要的内容
    void luaV_execute(lua_State *L, int nexeccalls) {
         ...
         ...
    for (;;) {
    const Instruction i = *pc++;  // 取下一条指令到i中
     ...
    swith (GET_OPCODE(i)) {
         ...
        case OP_ADD: {                                                                                             arith_op(luai_numadd, TM_ADD);
         continue;
    ...
    }
    }
    }
    }

    #define arith_op(op,tm) { \
            TValue *rb = RKB(i); \           \\ 取操作数B
            TValue *rc = RKC(i); \          \\ 取操作数C
            if (ttisnumber(rb) && ttisnumber(rc)) { \
              lua_Number nb = nvalue(rb), nc = nvalue(rc); \
              setnvalue(ra, op(nb, nc)); \   \\相加赋给操作数A
            } \
            else \
              Protect(Arith(L, ra, rb, rc, tm)); \
          }

    *稍微复杂点的是跳转指令,例如OP_EQ
     case OP_EQ: {
            TValue *rb = RKB(i);
            TValue *rc = RKC(i);
            Protect(
              if (equalobj(L, rb, rc) == GETARG_A(i))
                dojump(L, pc, GETARG_sBx(*pc));  // pc += GETARG_sBx(*pc)
                 
            )
            pc++;
            continue;
    正如之前所说,跳转指令涉及到两条指令,下一条指令代表跳转的偏移值(GETARG_sBx(*pc) 可正可负), 如果满足判定条件,则跳转,不满足则继续执行(只是跳过下一条指令)。


    3.栈结构
    ....
     
       
        top
        ...
        base
        func
    ....  

    lua_State这个结构中保存了一些函数调用栈的信息,每次一个函数被调用执行前,都会去初始化lua_State的一些成员,比如C调用lua函数的API : lua_call,
    整个流程是lua_call -----> luaD_call --------> luaV_execute, 就是在luaD_call的luaD_precall初始化lua_State的.
    void luaD_call (lua_State *L, StkId func, int nResults) {
      if (++L->nCcalls >= LUAI_MAXCCALLS) {
        if (L->nCcalls == LUAI_MAXCCALLS)
          luaG_runerror(L, "C stack overflow");
        else if (L->nCcalls >= (LUAI_MAXCCALLS + (LUAI_MAXCCALLS>>3)))
          luaD_throw(L, LUA_ERRERR);  /* error while handing stack error */
      }
      if (luaD_precall(L, func, nResults) == PCRLUA)  /* is a Lua function? */
        luaV_execute(L, 1);  /* call it */
      L->nCcalls--;
      luaC_checkGC(L);
    }
    总的来说指令都是在操作该函数栈上的操作数。

    4.指令数据从何而来
    指令当然是编译出来的,看下luaL_dofile的调用栈就能了解这个流程了:
    luaL_dofile ---->luaL_loadfile ----> lua_load -----> luaY_parser
    编译的过程是先读源码文件, 然后解析创建一个函数原型(Proto),函数原型就是包含了所有指令,编译工作主要在
    luaY_parser中:
    Proto *luaY_parser (lua_State *L, ZIO *z, Mbuffer *buff, const char *name) {
      struct LexState lexstate;
      struct FuncState funcstate;
      lexstate.buff = buff;
      luaX_setinput(L, &lexstate, z, luaS_new(L, name));
      open_func(&lexstate, &funcstate);    // 创建Proto,并作初始化工作
      funcstate.f->is_vararg = VARARG_ISVARARG;  /* main func. is always vararg */
      luaX_next(&lexstate);  /* read first token */   
      chunk(&lexstate);   // 词法,语法分析,如果有词法语法错误,这里会报错
      check(&lexstate, TK_EOS);
      close_func(&lexstate);
      lua_assert(funcstate.prev == NULL);
      lua_assert(funcstate.f->nups == 0);
      lua_assert(lexstate.fs == NULL);
      return funcstate.f;
    }





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