月亮般輕盈：用Lua成為指令稿語言大師

Lua是一種可嵌入、高效、輕量級、功能強大的指令稿語言，主要應
用在遊戲領域。另外，基於Nginx的OpenResty也是使用Lua編寫指
令稿的，很多伺服器（如Redis）也支援使用Lua編寫指令稿。
作為一門以純C程式碼編寫的專案，Lua程式碼優美、結構組織緊湊，
是經典的C語言專案。
本書討論Lua語言的設計原理，架構如下：
■ 第一部分說明Lua 中的資料結構，如透用資料是如何表示的，Lua 的
字串以及表類型的實現原理。
■ 第二部分是本書最重要的部分，主要討論Lua 虛擬機器的實現，分類說明Lua 虛擬機器中的一些重點指令。
■ 第三部分的內容比較雜，討論垃圾回收、模組實現、熱更新、程式碼協同等的實現原理。
本書適用讀者：對Lua 實現的內部原理、對程式語言設計有興趣的讀者。

√ 揭示Lua實現原理
√ 經典的純C語言專案分析
√ 一線開發人員傾力打造

Codedump
從事互聯網後端服務開發工作。在網路遊戲開發工作期間接觸到使用C 編寫服務核心引擎，和使用Lua指令稿編寫遊戲邏輯的技術組合後，對Lua產生濃厚的興趣開始研究，陸續發佈於網路。
個人博客：www.codedump.info。

前 言
接觸Lua 是在很早之前，但是那時僅限於基本的學習，沒有在專案中使
用，也沒有意識到這門語言真正的魅力。
時間來到2011年，那時我在從事網頁遊戲的開發工作。遊戲開發有其
獨有的特點――上線週期短，經常一兩周就要有一個版本上線，而這個
過程中需要實現的功能並不見得少。簡單地說，就是時間緊、工作重。
假如採用C++ 這樣的編譯型語言來開發遊戲，典型的開發流程大致是
這樣的：捲起袖子寫了一大段程式，然後編譯、解決偵錯編譯的錯誤，
中間可能還要處理類似當機、段錯誤、記憶體洩露等問題。另外，由於
重新編譯了程式，又需要重新啟動伺服器，而重新啟動過程中勢必有關
資料的載入。總而言之，採用純編譯型語言開發的情況下，有一部分時
間並沒有用在真正的業務邏輯開發中。
當時專案採用的是C++ 撰寫的核心引擎模組，曝露核心介面給Lua 指
令稿層，網路資料的收發等都在C++ 層完成，而業務邏輯採用Lua 實
現。這個架構也是很多遊戲伺服器採用的經典架構。使用這個架構來開
發遊戲服務時，不會再把大量的精力放在語言本身的問題上，而可以集
中精力來做業務邏輯。另外，借助於Lua 的熱更新能力，整個開發過程
中需要重新啟動服務的次數並不多。
可以說，這個專案經歷開啟了一扇新的視窗，開闊我的視野。由於在專
案開發過程中嘗到了甜頭，並且自己也對程式語言的實現很有興趣，所
以業餘時間就開始慢慢閱讀Lua 解譯器的實現原理。當時在網際網路上
能找到的分析Lua 實現的文章並不多，加上自己編譯原理等相關知識的基礎薄弱，大部分時候只能硬啃程式。我一邊摸索，一邊開始逐步整理相關的文章並將其放在網上，希望對其他有類似需求的朋友有幫助。
Lua 身為誕生已經超過20 年的語言，在設計上是非常克制的。以本書說
明所有相關的Lua 5.1.4 版本來說，這個版本是Lua 發展十幾年之後穩
定很長時間的版本，其解譯器加上週邊的函數庫函數等不過就是一萬多
行的程式量，如果再進行精簡，只需要最核心的幾千行程式就可以了。
這樣一種廣泛使用的工業等級的指令碼語言，只需要幾千行程式就能明
白其核心原理，這個對比值極高的誘惑對當時的我來說無疑是極大的。
Lua 在設計上，從一開始就把簡潔、高效、可攜性、可嵌入型、可擴充
性等作為自己的目標。打一個可能不是太恰當的比方，Lua 專注於做一
個配角，作為膠水語言來輔助像C、C++ 這樣的主角來更進一步地完
成工作。當其他語言在前面攻城拔寨時，它在後方完成自己輔助的作
用。在現在大部分主流程式語言都在走大而全的路線，號稱學會某一種
語言就能成為所謂的「全端工程師」的年代，Lua 始終恪守本分地做好
自己膠水語言的本職工作，不得不說是一個異類的存在。
「上善若水，水善利萬物而不爭」，簡單、極致、強大的可擴充性，大概
是我能想到的最適合用來描述Lua 語言設計哲學的句子。
本書將對Lua 語言的設計原理做一些分析討論，採用的是Lua 5.1.4 版
本，在參考到該版本中的程式時，會在參考程式的同時加上程式所在的
檔案以及行號，方便讀者對應到實際的程式中一起跟著閱讀。另外，我也把自己在閱讀Lua 程式中做了一些註釋的程式版本放在GitHub 上，
位址是：https://github.com/lichuang/Lua-5.1.4-codedump。
本書適用於以下讀者：
■ 希望進一步了解Lua 實現的內部原理的Lua 語言使用者。
■ 對程式語言設計有興趣的讀者。
閱讀本書，讀者至少需要具備以下的基礎知識：
■ 紮實的C 語言功力，Lua 虛擬機器採用純C 撰寫。在我看過不算少的純C 語言完成的專案中，Lua 虛擬機器的程式品質是最高的。
■ 一定的編譯原理知識，例如了解詞法分析、語法分析、遞迴下降分
析、BNF 規則等，如果不清楚這些原理，閱讀Lua 虛擬機器實現時會
遇到很多問題。
本書架構如下：
■ 第一部分說明Lua 中的資料結構，如通用資料是如何表示的，Lua 的
字串以及表類型的實現原理。
■ 第二部分是本書最重要的部分，主要討論Lua 虛擬機器的實現。另
外，這裡分類說明Lua 虛擬機器中的一些重點指令。
■ 第三部分的內容比較雜，這部分討論垃圾回收、模組實現、熱更新、
程式碼協同等的實現原理。
本書的完成要特別感謝以下幾個人：
感謝圖靈公司的王軍花編輯，在茫茫的網際網路中找到我在網上開放原
始碼的Lua 分析系列文章（這也是本書撰寫的基礎），並且鼓勵我整理
出版，在多次跳票的情況下給予我很多的鼓勵和幫助。沒有她的發掘和
鼓勵，就不會有本書。
感謝雲風在百忙之中抽空對本書初稿進行審稿，給予很多中肯的意見。
有一些我聽取並進行改進，一些則因為各種原因很遺憾無法進行增強。
感謝我太太對我工作的理解，家人的理解和支援是一切的基礎。
最後，由於本人能力有限，在很多問題的討論上可能還會有一些錯誤，
希望讀者不吝賜教。請從這裡開始您的旅程⋯⋯

前 言
Chapter01 概述
1.1 前世今生
1.2 原始程式組織
1.3 Lua 虛擬機工作流程
Chapter02 Lua 中的資料類型
2.1 C 語言中實現通用資料結構的一般做法
2.2 Lua 通用資料結構的實現
Chapter03 字串
3.1 概述
3.2 字串實現
Chapter04 表
4.1 資料結構
4.2 操作演算法
Chapter05 Lua 虛擬機器
5.1 Lua 執行過程概述
5.2 資料結構與堆疊
5.3 指令的解析
5.4 指令格式
5.5 指令的執行
5.6 偵錯工具
Chapter06 指令的解析與執行
6.1 Lua 詞法
6.2 設定值類別指令
6.3 表相關的操作指令
6.4 函數相關的操作指令
6.5 數值計算類別指令
6.6 關係邏輯類別指令
6.7 循環類別指令
Chapter07 GC 演算法
7.1 原理
7.2 資料結構
7.3 實際流程
7.4 進度控制
Chapter08 環境與模組
8.1 環境相關的變數
8.2 模組
Chapter09 偵錯器工作原理
9.1 鉤子功能
9.2 獲得目前程式資訊
9.3 列印變數
9.4 檢視檔案內容
9.5 中斷點的增加
9.6 檢視目前堆疊資訊
9.7 step 和next 指令的實現
Chapter10 例外處理
10.1 原理
10.2 Lua 實現
Chapter11 程式碼協同
11.1 概念
11.2 相關的API
11.3 實現
AppendixA 參考資料