C/C++和Lua是如何进行通信的？

Posted 2020-07-31 borey

为了实现Lua和其他语言之间的通信，Lua虚拟机为C/C++提供了两个特性：

• Lua_State状态机

       lua_State主要是管理一个lua虚拟机的执行环境, 一个lua虚拟机可以有多个执行环境。Lua虚拟机通过维护这样一个虚拟栈来实现两种之间的通信，lua_State定义如下：

 1 struct lua_State {
 2   CommonHeader;
 3   lu_byte status;
 4   StkId top;  /* first free slot in the stack */
 5   global_State *l_G;
 6   CallInfo *ci;  /* call info for current function */
 7   const Instruction *oldpc;  /* last pc traced */
 8   StkId stack_last;  /* last free slot in the stack */
 9   StkId stack;  /* stack base */
10   int stacksize;
11   unsigned short nny;  /* number of non-yieldable calls in stack */
12   unsigned short nCcalls;  /* number of nested C calls */
13   lu_byte hookmask;
14   lu_byte allowhook;
15   int basehookcount;
16   int hookcount;
17   lua_Hook hook;
18   GCObject *openupval;  /* list of open upvalues in this stack */
19   GCObject *gclist;
20   struct lua_longjmp *errorJmp;  /* current error recover point */
21   ptrdiff_t errfunc;  /* current error handling function (stack index) */
22   CallInfo base_ci;  /* CallInfo for first level (C calling Lua) */
23 };

        1，虚拟栈的管理, 包括管理整个栈和当前函数使用的栈的情况

        2，CallInfo的管理, 包括管理整个CallInfo数组和当前函数的CallInfo

        3，hook相关的, 包括hookmask, hookcount, hook函数等

        4，global_State是全局唯一的，存放多个lua_State之间的一些共享数据

        5，gc的一些管理和当前栈中upvalue的管理

        6，错误处理的支持等等

C/C++和Lua拥有不同的数据类型，要实现两者之间的数据通信怎么办？Lua虚拟机提供Lua_State这样一种数据结构。任何一种数据从C/C++传入Lua虚拟机中，Lua都会将这类数据转换为一种通用的结构lua_TValue，并且将数据复制一份，将其压入虚拟栈中。lua_TValue定义如下：

 1 struct lua_TValue {
 2   TValuefields;
 3 };
 4 
 5 #define TValuefields   6     union { struct { Value v__; int tt__; } i; double d__; } u
 7 
 8 union Value {
 9   GCObject *gc;    /* collectable objects */
10   void *p;         /* light userdata */
11   int b;           /* booleans */
12   lua_CFunction f; /* light C functions */
13   numfield         /* numbers */
14 };

Lua有自己的GC，C/C++由自己申请和释放内存，所以两者之间的内存管理是独立的。从C/C++中传递数据到Lua虚拟机会发生数据拷贝，从Lua虚拟机中传递出来是直接从虚拟栈中取值或者地址，所以数据从虚拟栈中pop之后，是否依然是有效引用需要额外注意。

•  C API

Lua脚本实现交互提供了一系列的C API，常用API有：

        luaL_newstate函数用于初始化一个lua_State实例

        luaL_openlibs函数用于打开Lua中的所有标准库，如io库、string库等。

        luaL_loadbuffer编译了buff中的Lua代码，如果没有错误，则返回0，同时将编译后的程序块压入虚拟栈中。

        lua_pcall函数会将程序块从栈中弹出，并在保护模式下运行该程序块。执行成功返回0，否则将错误信息压入栈中。

        lua_tostring函数中的-1，表示栈顶的索引值，栈底的索引值为1，以此类推。该函数将返回栈顶的错误信息，但是不会将其从栈中弹出。

        lua_pop是一个宏，用于从虚拟栈中弹出指定数量的元素，这里的1表示仅弹出栈顶的元素。

        lua_close用于释放状态指针所引用的资源。

入栈操作：

        Lua针对每种C类型，都有一个C API函数与之对应，如：

        void lua_pushnil(lua_State* L);  --nil值

        void lua_pushboolean(lua_State* L, int b); --布尔值

        void lua_pushnumber(lua_State* L, lua_Number n); --浮点数

        void lua_pushinteger(lua_State* L, lua_Integer n);  --整型

        void lua_pushlstring(lua_State* L, const char* s, size_t len); --指定长度的内存数据

        void lua_pushstring(lua_State* L, const char* s);  --以零结尾的字符串，其长度可由strlen得出。 

出栈操作：

        API使用“索引”来引用栈中的元素，第一个压入栈的为1，第二个为2，依此类推。我们也可以使用负数作为索引值，其中-1表示为栈顶元素，-2为栈顶下面的元素，同样依此类推。

        Lua提供了一组特定的函数用于检查返回元素的类型，如：

        int lua_isboolean (lua_State *L, int index);

        int lua_iscfunction (lua_State *L, int index);

        int lua_isfunction (lua_State *L, int index);

        int lua_isnil (lua_State *L, int index);

        int lua_islightuserdata (lua_State *L, int index);

        int lua_isnumber (lua_State *L, int index);

        int lua_isstring (lua_State *L, int index);

        int lua_istable (lua_State *L, int index);

        int lua_isuserdata (lua_State *L, int index);

        以上函数，成功返回1，否则返回0。需要特别指出的是，对于lua_isnumber而言，不会检查值是否为数字类型，而是检查值是否能转换为数字类型。

有关API的具体用法或者了解更多的API请访问其官方网站

如有任何疑问和建议，欢迎指出讨论，谢谢~