深入理解 Lua 虚拟机
作者：nicochen，騰訊 IEG 游戲開發(fā)工程師
本文從一個(gè)簡(jiǎn)單示例入手，詳細(xì)講解 Lua 字節(jié)碼文件的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及各字段含義，進(jìn)而引出 Lua 虛擬機(jī)指令集和運(yùn)行時(shí)的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu) Lua State，最后解釋 Lua 虛擬機(jī)的 47 條指令如何在 Lua State 上運(yùn)作的。
為了達(dá)到較高的執(zhí)行效率，lua 代碼并不是直接被 Lua 解釋器解釋執(zhí)行，而是會(huì)先編譯為字節(jié)碼，然后再交給 lua 虛擬機(jī)去執(zhí)行。lua 代碼稱為 chunk，編譯成的字節(jié)碼則稱為二進(jìn)制 chunk（Binary chunk）。lua.exe、wlua.exe 解釋器可直接執(zhí)行 lua 代碼（解釋器內(nèi)部會(huì)先將其編譯成字節(jié)碼），也可執(zhí)行使用 luac.exe 將 lua 代碼預(yù)編譯（Precompiled）為字節(jié)碼。使用預(yù)編譯的字節(jié)碼并不會(huì)加快腳本執(zhí)行的速度，但可以加快腳本加載的速度，并在一定程度上保護(hù)源代碼。luac.exe 可作為編譯器，把 lua 代碼編譯成字節(jié)碼，同時(shí)可作為反編譯器，分析字節(jié)碼的內(nèi)容。
luac.exe?-v??//?顯示luac的版本號(hào) luac.exe?Hello.lua??// 在當(dāng)前目錄下，編譯得到Hello.lua的二進(jìn)制chunk文件luac.out（默認(rèn)含調(diào)試符號(hào)）luac.exe?-o?Hello.out?Hello1.lua?Hello2.lua?// 在當(dāng)前目錄下，編譯得到Hello1.lua和Hello2.lua的二進(jìn)制chunk文件Hello.out（默認(rèn)含調(diào)試符號(hào)）luac.exe?-s?-o?d:\\Hello.out?Hello.lua??// 編譯得到Hello.lua的二進(jìn)制chunk文件d:\\Hello.out（去掉調(diào)試符號(hào)）luac.exe?-p?Hello1.lua?Hello2.lua??// 對(duì)Hello1.lua和Hello2.lua只進(jìn)行語法檢測(cè)（注：只會(huì)檢查語法規(guī)則，不會(huì)檢查變量、函數(shù)等是否定義和實(shí)現(xiàn)，函數(shù)參數(shù)返回值是否合法）lua 編譯器以函數(shù)為單位對(duì)源代碼進(jìn)行編譯，每個(gè)函數(shù)會(huì)被編譯成一個(gè)稱之為原型（Prototype）的結(jié)構(gòu)，原型主要包含 6 部分內(nèi)容：函數(shù)基本信息（basic info，含參數(shù)數(shù)量、局部變量數(shù)量等信息）、字節(jié)碼（bytecodes）、常量（constants）表、upvalue（閉包捕獲的非局部變量）表、調(diào)試信息（debug info）、子函數(shù)原型列表（sub functions）。
原型結(jié)構(gòu)使用這種嵌套遞歸結(jié)構(gòu)，來描述函數(shù)中定義的子函數(shù)：
注：lua 允許開發(fā)者可將語句寫到文件的全局范圍中，這是因?yàn)?lua 在編譯時(shí)會(huì)將整個(gè)文件放到一個(gè)稱之為 main 函數(shù)中，并以它為起點(diǎn)進(jìn)行編譯。
Hello.lua 源代碼如下：
print?("hello") function?add(a,?b)return?a+b end編譯得到的 Hello.out 的二進(jìn)制為：
二進(jìn)制 chunk（Binary chunk）的格式并沒有標(biāo)準(zhǔn)化，也沒有任何官方文檔對(duì)其進(jìn)行說明，一切以 lua 官方實(shí)現(xiàn)的源代碼為準(zhǔn)。其設(shè)計(jì)并沒有考慮跨平臺(tái)，對(duì)于需要超過一個(gè)字節(jié)表示的數(shù)據(jù)，必須要考慮大小端（Endianness）問題。
lua 官方實(shí)現(xiàn)的做法比較簡(jiǎn)單：編譯 lua 腳本時(shí)，直接按照本機(jī)的大小端方式生成二進(jìn)制 chunk 文件，當(dāng)加載二進(jìn)制 chunk 文件時(shí)，會(huì)探測(cè)被加載文件的大小端方式，如果和本機(jī)不匹配，就拒絕加載。二進(jìn)制 chunk 格式設(shè)計(jì)也沒有考慮不同 lua 版本之間的兼容問題，當(dāng)加載二進(jìn)制 chunk 文件時(shí)，會(huì)檢測(cè)其版本號(hào)，如果和當(dāng)前 lua 版本不匹配，就拒絕加載。另外，二進(jìn)制 chunk 格式設(shè)計(jì)也沒有被刻意設(shè)計(jì)得很緊湊。在某些情況下，一段 lua 代碼編譯成二進(jìn)制 chunk 后，甚至?xí)晃谋拘问降脑创a還要大。預(yù)編譯成二進(jìn)制 chunk 主要是為了提升加載速度，因此這也不是很大的問題。
頭部字段：
嵌套的函數(shù)原型：
注 1：二進(jìn)制 chunk 中的字符串分為三種情況：
①NULL 字符串用 0x00 表示；
② 長(zhǎng)度小于等于 253（0xFD）的字符串，先用 1 個(gè) byte 存儲(chǔ)字符串長(zhǎng)度+1 的數(shù)值，然后是字節(jié)數(shù)組；
③ 長(zhǎng)度大于等于 254（0xFE）的字符串，第一個(gè)字節(jié)是 0xFF，后面跟一個(gè) 8 字節(jié) size_t 類型存儲(chǔ)字符串長(zhǎng)度+1 的數(shù)值，然后是字節(jié)數(shù)組。
注 2：常量 tag 對(duì)應(yīng)表
查看二進(jìn)制 chunk 中的所有函數(shù)（精簡(jiǎn)模式）：
luac.exe -l Hello.lua
luac.exe -l Hello.out
注 1：每個(gè)函數(shù)信息包括兩個(gè)部分：前面兩行是函數(shù)的基本信息，后面是函數(shù)的指令列表。
注 2：函數(shù)的基本信息包括：函數(shù)名稱、函數(shù)的起始行列號(hào)、函數(shù)包含的指令數(shù)量、函數(shù)地址。函數(shù)的參數(shù) params 個(gè)數(shù)（0+表示函數(shù)為不固定參數(shù)）、寄存器 slots 數(shù)量、upvalue 數(shù)量、局部變量 locals 數(shù)量、常量 constants 數(shù)量、子函數(shù) functions 數(shù)量。
注 3：指令列表里的每一條指令包含指令序號(hào)、對(duì)應(yīng)代碼行號(hào)、操作碼和操作數(shù)。分號(hào)后為 luac 生成的注釋，以便于我們理解指令。
注 4：整個(gè)文件內(nèi)容被放置到了 main 函數(shù)中，并以它作為嵌套起點(diǎn)。
查看二進(jìn)制 chunk 中的所有函數(shù)（詳細(xì)模式）：
luac.exe -l -l Hello.lua ? 注：參數(shù)為 2 個(gè)-l
luac.exe -l -l Hello.out ? 注：詳細(xì)模式下，luac 會(huì)把常量表、局部變量表和 upvalue 表的信息也打印出來
main?<Test2.lua:0,0>?(6?instructions?at?0046e528) 0+?params,?2?slots,?1?upvalue,?0?locals,?3?constants,?1?function序號(hào)????代碼行????指令1???????[1]?????GETTABUP????????0?0?-1??;?_ENV?"print"???//GETTABUP?A?B?C??//將upvalues表索引為B:0的upvalue(即：_ENV)中key為常量表索引為C:-1的(即print)，放到寄存器索引為A:0的地方2???????[1]?????LOADK???????????1?-2????;?"hello"??//LOADK?A?Bx??//將常量表索引為Bx:-2的hello加載到寄存器索引為A:1的地方3???????[1]?????CALL????????????0?2?1????;?//CALL?A?B?C??//調(diào)用寄存器索引為A:0的函數(shù)，參數(shù)個(gè)數(shù)為B:2減1(即1個(gè))，C:1表示無返回值4???????[5]?????CLOSURE?????????0?0?????;?0046e728??????//CLOSURE?A?Bx??//將子函數(shù)原型列表索引為Bx:0的函數(shù)地址，放到寄存器索引為A:0的地方5???????[3]?????SETTABUP????????0?-3?0??;?_ENV?"add"???//SETTABUP?A?B?C??//將upvalues表索引為A:0的upvalue(即：_ENV)中key為常量表索引為B:-3(即add)，設(shè)置為寄存器索引為C:0指向的值6???????[5]?????RETURN??????????0?1????????;?//RETURN?A?B???//B:1表示無返回值 constants?(3)?for?0046e528:序號(hào)????常量名1???????"print"2???????"hello"3???????"add" locals?(0)?for?0046e528: upvalues?(1)?for?0046e528:序號(hào)????upvalue名????是否為直接外圍函數(shù)的局部變量????在外圍函數(shù)調(diào)用幀的索引0???????_ENV????????1???????????????????????????????0function?<Test2.lua:3,5>?(3?instructions?at?0046e728) 2?params,?3?slots,?0?upvalues,?2?locals,?0?constants,?0?functions序號(hào)????代碼行????指令1???????[4]?????ADD?????????????2?0?1????;?//ADD?A?B?C??//將寄存器索引為0、1的兩個(gè)數(shù)相加得到的結(jié)果放到寄存器索引為2的地方2???????[4]?????RETURN??????????2?2????????;?//RETURN?A?B?//B:2表示有一個(gè)返回值??A:2表示返回值在寄存器索引為2的地方3???????[5]?????RETURN??????????0?1????????;?//RETURN?A?B?//B:1表示無返回值 constants?(0)?for?0046e728: locals?(2)?for?0046e728:寄存器索引????起始指令序號(hào)??終止指令序號(hào)??-1得到實(shí)際指令序號(hào)0???????a???????1???????4????????;?a變量的指令范圍為[0,?3]，起始為0表示為傳入的參數(shù)變量1???????b???????1???????4????????;?b變量的指令范圍為[0,?3] upvalues?(0)?for?0046e728:luac.exe -l -??// 從標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備讀入腳本，輸完后按回車，然后按 Ctrl+Z 并回車，會(huì)打印出輸入內(nèi)容對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制 chunk 內(nèi)容 ?? 注：進(jìn)入輸入模式后可按 Ctrl+C 強(qiáng)制退出
luac.exe -l --?// 使用上次輸入，打印出二進(jìn)制 chunk 內(nèi)容
luac.exe -l -l --?// 使用上次輸入，詳細(xì)模式下打印出二進(jìn)制 chunk 內(nèi)容（參數(shù)為 2 個(gè)-l）
Stack Based VM??vs Rigister?Based VM
高級(jí)編程語言的虛擬機(jī)是利用軟件技術(shù)對(duì)硬件進(jìn)行的模擬和抽象。按照實(shí)現(xiàn)方式，可分為兩類：基于棧（Stack Based）和基于寄存器（Rigister Based）。Java、.NET CLR、Python、Ruby、Lua5.0 之前的版本的虛擬機(jī)都是基于棧的虛擬機(jī)；從 5.0 版本開始，Lua 的虛擬機(jī)改成了基于寄存器的虛擬機(jī)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的加法賦值運(yùn)算：a=b+c
基于棧的虛擬機(jī)，會(huì)轉(zhuǎn)化成如下指令:
push?b;?//?將變量b的值壓入stackpush?c;?//?將變量c的值壓入stackadd;?//?將stack頂部的兩個(gè)值彈出后相加，然后將結(jié)果壓入stack頂mov?a;?//?將stack頂部結(jié)果放到a中所有的指令執(zhí)行，都是基于一個(gè)操作數(shù)棧的。你想要執(zhí)行任何指令時(shí)，對(duì)不起，得先入棧，然后算完了再給我出棧。總的來說，就是抽象出了一個(gè)高度可移植的操作數(shù)棧，所有代碼都會(huì)被編譯成字節(jié)碼，然后字節(jié)碼就是在玩這個(gè)棧。好處是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，移植性強(qiáng)。壞處是指令條數(shù)比較多，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移次數(shù)比較多，因?yàn)槊恳淮稳霔３鰲６紶可鏀?shù)據(jù)的轉(zhuǎn)移。
基于寄存器的虛擬機(jī)，會(huì)轉(zhuǎn)化成如下指令：
add?a?b?c;?//?將b與c對(duì)應(yīng)的寄存器的值相加，將結(jié)果保存在a對(duì)應(yīng)的寄存器中沒有操作數(shù)棧這一概念，但是會(huì)有許多的虛擬寄存器。這類虛擬寄存器有別于 CPU 的寄存器，因?yàn)?CPU 寄存器往往是定址的(比如 DX 本身就是能存東西)，而寄存器式的虛擬機(jī)中的寄存器通常有兩層含義：
(1)寄存器別名(比如 lua 里的 RA、RB、RC、RBx 等)，它們往往只是起到一個(gè)地址映射的功能，它會(huì)根據(jù)指令中跟操作數(shù)相關(guān)的字段計(jì)算出操作數(shù)實(shí)際的內(nèi)存地址，從而取出操作數(shù)進(jìn)行計(jì)算；
(2)實(shí)際寄存器，有點(diǎn)類似操作數(shù)棧，也是一個(gè)全局的運(yùn)行時(shí)棧，只不過這個(gè)棧是跟函數(shù)走的，一個(gè)函數(shù)對(duì)應(yīng)一個(gè)棧幀，棧幀里每個(gè) slot 就是一個(gè)寄存器，第 1 步中通過別名映射后的地址就是每個(gè) slot 的地址。
好處是指令條數(shù)少，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移次數(shù)少。壞處是單挑指令長(zhǎng)度較長(zhǎng)。具體來看，lua 里的實(shí)際寄存器數(shù)組是用 TValue 結(jié)構(gòu)的棧來模擬的，這個(gè)棧也是 lua 和 C 進(jìn)行交互的虛擬棧。
lua 指令集
Lua 虛擬機(jī)的指令集為定長(zhǎng)（Fixed-width）指令集，每條指令占 4 個(gè)字節(jié)（32bits），其中操作碼（OpCode）占 6bits，操作數(shù)（Operand）使用剩余的 26bits。Lua5.3 版本共有 47 條指令，按功能可分為 6 大類：常量加載指令、運(yùn)算符相關(guān)指令、循環(huán)和跳轉(zhuǎn)指令、函數(shù)調(diào)用相關(guān)指令、表操作指令和 Upvalue 操作指令。
按編碼模式分為 4 類：iABC（39）、iABx（3）、iAsBx（4）、iAx（1）
4 種模式中，只有 iAsBx 下的 sBx 操作數(shù)會(huì)被解釋成有符號(hào)整數(shù)，其他情況下操作數(shù)均被解釋為無符號(hào)整數(shù)。操作數(shù) A 主要用來表示目標(biāo)寄存器索引，其他操作數(shù)按表示信息可分為 4 種類型：OpArgN、OpArgU、OpArgR、OpArgK：
Lua 棧索引
注 1：絕對(duì)索引是從 1 開始由棧底到棧頂依次增長(zhǎng)的；
注 2：相對(duì)索引是從-1 開始由棧頂?shù)綏５滓来芜f減的（在 lua API 函數(shù)內(nèi)部會(huì)將相對(duì)索引轉(zhuǎn)換為絕對(duì)索引）；
注 3：上圖棧的容量為 7，棧頂絕對(duì)索引為 5，有效索引范圍為：[1,5]，可接受索引范圍為：[1, 7]；
注 4：Lua 虛擬機(jī)指令里寄存器索引是從 0 開始的，而 Lua API 里的棧索引是從 1 開始的，因此當(dāng)需要把寄存器索引當(dāng)成棧索引使用時(shí)，要進(jìn)行+1。
Lua State
指令表
下面是 Lua 的 47 條指令詳細(xì)說明：
B:1?C?A:3 MOVE
把源寄存器（索引由 B 指定）里的值移動(dòng)到目標(biāo)寄存器（索引有 A 指定），常用于局部變量賦值和參數(shù)傳遞。
公式：R(A) := R(B)
Bx:2 A:4 LOADK
給單個(gè)寄存器（索引由 A 指定）設(shè)置成常量（其在常量表的索引由 Bx 指定），將常量表里的某個(gè)常量加載到指定寄存器。
在 lua 中，數(shù)值型、字符串型等局部變量賦初始值 （數(shù)字和字符串會(huì)放到常量表中）：
公式：R(A) := Kst(Bx)
Bx A:4 LOADKX
Ax:585028?EXTRAARG
LOADK 使用 Bx（18bits，最大無符號(hào)整數(shù)為 262143）表示常量表索引。當(dāng)將 lua 作數(shù)據(jù)描述語言使用時(shí)，常量表可能會(huì)超過這個(gè)限制，為了應(yīng)對(duì)這種情況，lua 提供了 LOADKX 指令。LOADKX 指令需要和 EXTRAAG 指令搭配使用，用后者的 Ax（26bits）操作數(shù)來指定常量索引。
公式：R(A) := Kst(Ax)
| LOADBOOL | iABC | 0x03 | OpArgU | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0 C:1 A:2 LOADBOOL
給單個(gè)寄存器（索引由 A 指定）設(shè)置布爾值（布爾值由 B 指定），如果寄存器 C 為非 0 則跳過下一條指令。
公式：
R(A) := (bool)B
if(C) pc++
| LOADNIL | iABC | 0x04 | OpArgU | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:4 C A:0 LOADNIL
將序號(hào)[A,A+B]連續(xù) B+1 個(gè)寄存器設(shè)置成 nil 值，用于給連續(xù) n 個(gè)寄存器放置 nil 值。在 lua 中，局部變量的默認(rèn)初始值為 nil，LOADNIL 指令常用于給連續(xù) n 個(gè)局部變量設(shè)置初始值。
公式：R(A), R(A+1), ... ,R(A+B) := nil
| GETUPVAL | iABC | 0x05 | OpArgU | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:1 C A:3 GETUPVAL
把當(dāng)前閉包的某個(gè) Upvalue 值（索引由 B 指定）拷貝到目標(biāo)寄存器（索引由 A 指定）中 ?。
公式：R(A) := Upvalue[B]
| GETTABUP | iABC | 0x06 | OpArgU | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0 C:0x002 A:3 GETTABUP
把當(dāng)前閉包的某個(gè) Upvalue 值（索引由 B 指定）拷貝到目標(biāo)寄存器（索引由 A 指定）中，與 GETUPVAL 不同的是，Upvalue 從表里取值（鍵由 C 指定，為寄存器或常量表索引）。
R(A) := Upvalue[B][rk(c)]
| GETTABLE | iABC | 0x07 | OpArgR | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0 C:0x002 A:3 GETTABLE
把表中某個(gè)值拷貝到目標(biāo)寄存器（索引由 A 指定）中，表所在寄存器索引由 B 指定，鍵由 C（為寄存器或常量表索引）指定。
公式：R(A) := R[B][rk(c)]
| SETTABUP | iABC | 0x08 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x002 C:0x003 A:0?SETTABUP
設(shè)置當(dāng)前閉包的某個(gè) Upvalue 值（索引由 A 指定）為寄存器或常量表的某個(gè)值（索引由 C 指定），與 SETUPVAL 不同的是，Upvalue 從表里取值（鍵由 B 指定，為寄存器或常量表索引）。
Upvalue[A][rk(b)] := RK(C)
| SETUPVAL | iABC | 0x09 | OpArgU | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0 C A:3 SETUPVAL
設(shè)置當(dāng)前閉包的某個(gè) Upvalue 值（索引由 B 指定）為寄存器的某個(gè)值（索引由 A 指定）。
公式：Upvalue[B] := R(A)
| SETTABLE | iABC | 0x0A | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x002 C:0x003 A:1 SETTABLE
給寄存器中的表（索引由 A 指定）的某個(gè)鍵進(jìn)行賦值，鍵和值分別由 B 和 C 指定（為寄存器或常量表索引）。
公式：R(A)[RK(B)] := RK(C)
| NEWTABLE | iABC | 0x0B | OpArgU | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0 C:2 A:4 NEWTABLE
創(chuàng)建空表，并將其放入指定寄存器（索引有 A 指定），表的初始數(shù)組容量和哈希表容量分別有 B 和 C 指定。
公式：R(A) := {} (size = B, C)
| SELF | iABC | 0x0C | OpArgR | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:1 C:0x100 A:2 SELF
把寄存器中對(duì)象（索引由 B 指定）和常量表中方法（索引由 C 指定）拷貝到相鄰的兩個(gè)目標(biāo)寄存器中，起始目標(biāo)寄存器的索引由 A 指定。
公式：
R(A+1) := R(B)
R(A) := R(B)[RK(C)]
| ADD | iABC | 0x0D | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 ADD
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行相加，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) + RK(C)
| SUB | iABC | 0x0E | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 SUB
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行相減，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）
公式：
R(A) := RK(B) - RK(C)
| MUL | iABC | 0x0F | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 MUL
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行相乘，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) * RK(C)
| MOD | iABC | 0x10 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 MOD
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行求摸運(yùn)算，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) % RK(C)
| POW | iABC | 0x11 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 POW
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行求冪運(yùn)算，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) ^ RK(C)
| DIV | iABC | 0x12 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 DIV
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行相除，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) / RK(C)
| IDIV | iABC | 0x13 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 IDIV
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行相整除，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) // RK(C)
| BAND | iABC | 0x14 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 BAND
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行求與操作，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) & RK(C)
| BOR | iABC | 0x15 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 BOR
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行求或操作，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) | RK(C)
| BXOR | iABC | 0x16 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 BXOR
對(duì)兩個(gè)寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）進(jìn)行求異或操作，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）
公式：R(A) := RK(B) ~ RK(C)
| SHL | iABC | 0x17 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 SHL
索引由 B 指定的寄存器或常量值進(jìn)行左移位操作（移動(dòng)位數(shù)的索引由 C 指定的寄存器或常量值），并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) << RK(C)
| SHR | iABC | 0x18 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:4 SHR
索引由 B 指定的寄存器或常量值進(jìn)行右移位操作（移動(dòng)位數(shù)的索引由 C 指定的寄存器或常量值），并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) >> RK(C)
| UNM | iABC | 0x19 | OpArgR | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:1 C A:3 UNM
對(duì)寄存器（索引由 B 指定）進(jìn)行取負(fù)數(shù)操作，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := - R(B)
| BNOT | iABC | 0x1A | OpArgR | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:1 C A:3 BNOT
對(duì)寄存器（索引由 B 指定）進(jìn)行取反操作，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := ~ R(B)
| NOT | iABC | 0x1B | OpArgR | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:1 C A:3 NOT
對(duì)寄存器（索引由 B 指定）進(jìn)行求非操作，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := not R(B)
| LEN | iABC | 0x1C | OpArgR | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:1 C A:3 LEN
對(duì)寄存器（索引由 B 指定）進(jìn)行求長(zhǎng)度操作，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := length of R(B)
| CONCAT | iABC | 0x1D | OpArgR | OpArgR | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:2 C:4 A:1 CONCAT
將連續(xù) n 個(gè)寄存器（起始索引和終止索引由 B 和 C 指定）里的值進(jìn)行拼接，并將結(jié)果放入另一個(gè)寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := R(B) .. ... .. R(C)
| JMP | iAsBx | 0x1E | OpArgR | 目標(biāo)寄存器 idx |
sBx:-1 A JMP
當(dāng) sBx 不為 0 時(shí)，進(jìn)行無條件跳轉(zhuǎn)，執(zhí)行 pc = pc + sBx（sBx 為-1，表示將當(dāng)前指令再執(zhí)行一次 ? 注：這將是一個(gè)死循環(huán)）
sBx:0 A:0x001 JMP；
當(dāng) sBx 為 0 時(shí)（繼續(xù)執(zhí)行后面指令，不跳轉(zhuǎn)），用于閉合處于開啟狀態(tài)的 Upvalue（即：把即將銷毀的局部變量的值復(fù)制出來，并更新到某個(gè) Upvalue 中）。
當(dāng)前閉包的某個(gè) Upvalue 值的索引由 A 指定：
| EQ | iABC | 0x1F | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:1 EQ
寄存器或常量表（索引由 B 指定）是否等于寄存器或常量表（索引由 C 指定），若結(jié)果等于操作數(shù) A，則跳過下一條指令。
公式：if ((RK(B) == RK(C)) pc++
| LT | iABC | 0x20 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:1 LT
寄存器或常量表（索引由 B 指定）是否小于寄存器或常量表（索引由 C 指定），若結(jié)果等于操作數(shù) A，則跳過下一條指令。
公式：if ((RK(B) < RK(C)) pc++
| LE | iABC | 0x21 | OpArgK | OpArgK | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:0x001 C:0x100 A:1 LE
寄存器或常量表（索引由 B 指定）是否小于等于寄存器或常量表（索引由 C 指定），若結(jié)果等于操作數(shù) A，則跳過下一條指令。
公式：if ((RK(B) <= RK(C)) pc++
| TEST | iABC | 0x22 | OpArgN | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
B C:0 A:1 TEST
判斷寄存器（索引由 A 指定）中的值轉(zhuǎn)換為 bool 值后，是否和操作數(shù) C 表示的 bool 值一致，若結(jié)果不一致，則跳過下一條指令。
公式：
if not (R(A) <=> C) pc++
注：<=>表示按 bool 值比較
| TESTSET | iABC | 0x23 | OpArgR | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:3? C:0 A:1 TESTSET
判斷寄存器（索引由 B 指定）中的值轉(zhuǎn)換為 bool 值后，是否和操作數(shù) C 表示的 bool 值一致，若結(jié)果一致，將寄存器（索引由 B 指定）中的值復(fù)制到寄存器中（索引由 A 指定），否則跳過下一條指令。
公式：
if?(R(B)?\<=\>?C)R(A)?:=?R(B) elsepc++?注：<=>表示按 bool 值比較
| CALL | iABC | 0x24 | OpArgU | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:5 C:4 A:0 CALL
被調(diào)用函數(shù)位于寄存器中（索引由 A 指定），傳遞給被調(diào)用函數(shù)的參數(shù)值也在寄存器中，緊挨著被調(diào)用函數(shù)，參數(shù)個(gè)數(shù)為操作數(shù) B 指定。
① B==0，接受其他函數(shù)全部返回來的參數(shù)
② B>0，參數(shù)個(gè)數(shù)為 B-1
函數(shù)調(diào)用結(jié)束后，原先存放函數(shù)和參數(shù)值的寄存器會(huì)被返回值占據(jù)，具體多少個(gè)返回值由操作數(shù) C 指定。
① C==0，將返回值全部返回給接收者
② C==1，無返回值
③ C>1，返回值的數(shù)量為 C-1
公式：R(A), ... ,
| TAILCALL | iABC | 0x25 | OpArgU | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
函數(shù)調(diào)用一般通過調(diào)用棧來實(shí)現(xiàn)。用這種方法，每調(diào)用一個(gè)函數(shù)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)調(diào)用幀。
如果調(diào)用層次太深（如遞歸），容易導(dǎo)致棧溢出。尾遞歸優(yōu)化則可以讓我們發(fā)揮遞歸函數(shù)調(diào)用威力的同時(shí)，避免調(diào)用棧溢出。利用這種優(yōu)化，被調(diào)函數(shù)可以重用主調(diào)函數(shù)的調(diào)用幀，因此可有效緩解調(diào)用棧溢出癥狀。不過該優(yōu)化只適合某些特定情況。
如：return f(args) 會(huì)被編譯器優(yōu)化成 TAILCALL 指令，公式：return R(A)(R(A+1), ... , R(A+B-1))
| RETURN | iABC | 0x26 | OpArgU | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
B:4 C? A:2 RETURN
把存放在連續(xù)多個(gè)寄存器里的值返回給父函數(shù)，其中第一個(gè)寄存器的索引由操作數(shù) A 指定，寄存器數(shù)量由操作數(shù) B 指定，操作數(shù) C 沒有使用，需要將返回值推入棧頂：
① B==1，不需要返回任何值
② B > 1，需要返回 B-1 個(gè)值；這些值已經(jīng)在寄存器中了，只用再將它們復(fù)制到棧頂即可
③ B==0，一部分返回值已經(jīng)在棧頂了，只需將另一部分也推入棧頂即可
公式：return R(A),...,R(A+B-2)
| FORLOOP | iAsBx | 0x27 | OpArgR | 目標(biāo)寄存器 idx |
數(shù)值 for 循環(huán)：用于按一定步長(zhǎng)遍歷某個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)值 ? 如：for i=1,100,2 ?do ?f()? end // 初始值為 1，步長(zhǎng)為 2，上限為 100
該指令先給 i 加上步長(zhǎng)，然后判斷 i 是否在范圍之內(nèi)。若已經(jīng)超出范圍，則循環(huán)結(jié)束；若為超出范圍，則將數(shù)值拷貝給用戶定義的局部變量，然后跳轉(zhuǎn)到循環(huán)體內(nèi)部開始執(zhí)行具體的代碼塊。
公式：
R(A)?+=?R(A+2) if?R(A)?<?=?R(A+1)pc+=sBxR(A+3)=R(A)注：當(dāng)步長(zhǎng)為正數(shù)時(shí)<?=為<=
當(dāng)步長(zhǎng)為負(fù)數(shù)時(shí)<?=為>=
| FORPREP | iAsBx | 0x28 | OpArgR | 目標(biāo)寄存器 idx |
數(shù)值 for 循環(huán)：用于按一定步長(zhǎng)遍歷某個(gè)范圍內(nèi)的數(shù)值 ? 如：for i=1,100,2 ?do ?f()? end // 初始值為 1，步長(zhǎng)為 2，上限為 100。
該指令的目的是在循環(huán)之前預(yù)先將 i 減去步長(zhǎng)（得到-1），然后跳轉(zhuǎn)到 FORLOOP 指令正式開始循環(huán)：
公式：
R(A)-=R(A+2)
pc+=sBx
| TFORCALL | iABC | 0x29 | OpArgN | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
通用 for 循環(huán)：for k,v in pairs(t) do print(k,v) end
編譯器使用的第一個(gè)特殊變量(generator):f 存放的是迭代器，其他兩個(gè)特殊變量(state):s、(control):var 來調(diào)用迭代器，把結(jié)果保存在用戶定義的變量 k、v 中。
公式：R(A+3),...,R(A+2+C) := R(A)(R(A+1),R(A+2))
| TFORLOOP | iAsBx | 0x2A | OpArgR | 目標(biāo)寄存器 idx |
通用 for 循環(huán)：for k,v in pairs(t) do print(k,v) end
若迭代器返回的第一個(gè)值（變量 k）不是 nil，則把該值拷貝到(control):var，然后跳轉(zhuǎn)到循環(huán)體；若為 nil，則循環(huán)結(jié)束。
公式：
if R(A+1) ~= nil
R(A)=R(A+1)
pc+=sBx
| SETLIST | iABC | 0x2B | OpArgU | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
SETTABLE 是通用指令，每次只處理一個(gè)鍵值對(duì)，具體操作交給表去處理，并不關(guān)心實(shí)際寫入的是表的 hash 部分還是數(shù)組部分。SETLIST 則是專門給數(shù)組準(zhǔn)備的，用于按索引批量設(shè)置數(shù)組元素。其中數(shù)組位于寄存器中，索引由操作數(shù) A 指定；需要寫入數(shù)組的一系列值也在寄存器中，緊挨著數(shù)組，數(shù)量由操作數(shù) B 指定；數(shù)組起始索引則由操作數(shù) C 指定。
因?yàn)?C 操作數(shù)只有 9bits，所以直接用它表示數(shù)組索引顯然不夠用。這里解決辦法是讓 C 操作數(shù)保存批次數(shù)，然后用批次數(shù)乘上批大小（FPF，默認(rèn)為 50）就可以算出數(shù)組的起始索引。因此，C 操作數(shù)能表示的最大索引為 25600（50*512），當(dāng)數(shù)組長(zhǎng)度大于 25600 時(shí)，SETLIST 指令后會(huì)跟一條 EXTRAARG 指令，用其 Ax 操作數(shù)來保存批次數(shù)。
綜上，C>0，表示的是批次數(shù)+1，否則，真正批次數(shù)存放在后續(xù)的 EXTRAARG 指令中。
操作數(shù) B 為 0 時(shí)，當(dāng)表構(gòu)造器的最后一個(gè)元素是函數(shù)調(diào)用或者 vararg 表達(dá)式時(shí)，Lua 會(huì)把它們產(chǎn)生的所有值都收集起來供 SETLIST 使用。
公式：
R(A)[(C-1)*FPF+i] := R(A+i)
1 <= i <= B
| CLOSURE | iABx | 0x2C | OpArgU | 目標(biāo)寄存器 idx |
把當(dāng)前 Lua 函數(shù)的子函數(shù)原型實(shí)例化為閉包，放入由操作數(shù) A 指定的寄存器中子函數(shù)原型來自于當(dāng)前函數(shù)原型的子函數(shù)原型表，索引由操作數(shù) Bx 指定。
下圖為將 prototypes 表中索引為 1 的 g 子函數(shù)，放入索引為 4 的寄存器中：
公式：R(A) := closure(KPROTO[Bx])
| VARARG | iABC | 0x2D | OpArgU | OpArgN | 目標(biāo)寄存器 idx |
把傳遞給當(dāng)前函數(shù)的變長(zhǎng)參數(shù)加載到連續(xù)多個(gè)寄存器中。
其中第一個(gè)寄存器的索引由操作數(shù) A 指定，寄存器數(shù)量由操作數(shù) B 指定，操作數(shù) C 沒有使用，操作數(shù) B 若大于 1，表示把 B-1 個(gè) vararg 參數(shù)復(fù)制到寄存器中，否則只能等于 0。
公式：R(A),R(A+1),...R(A+B-2)=vararg
| EXTRAARG | iAx | 0x2E | OpArgU |
Ax:67108864 EXTRAARG
Ax 有 26bits，用來指定常量索引，可存放最大無符號(hào)整數(shù)為 67108864，可滿足大部分情況的需要了。
參考
《自己動(dòng)手實(shí)現(xiàn) Lua》源代碼
Lua 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)--虛擬機(jī)篇
Lua 5.3 Bytecode Reference?
Lua 源碼解析??
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的深入理解 Lua 虚拟机的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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