深入理解 Lua 虚拟机(转载)
本文从一个简单示例入手，详细讲解 Lua 字节码文件的存储结构及各字段含义，进而引出 Lua 虚拟机指令集和运行时的核心数据结构 Lua State，最后解释 Lua 虚拟机的 47 条指令如何在 Lua State 上运作的。
为了达到较高的执行效率，lua 代码并不是直接被 Lua 解释器解释执行，而是会先编译为字节码，然后再交给 lua 虚拟机去执行。lua 代码称为 chunk，编译成的字节码则称为二进制 chunk（Binary chunk）。lua.exe、wlua.exe 解释器可直接执行 lua 代码（解释器内部会先将其编译成字节码），也可执行使用 luac.exe 将 lua 代码预编译（Precompiled）为字节码。使用预编译的字节码并不会加快脚本执行的速度，但可以加快脚本加载的速度，并在一定程度上保护源代码。luac.exe 可作为编译器，把 lua 代码编译成字节码，同时可作为反编译器，分析字节码的内容。
// 显示luac的版本号
luac.exe -v
//在当前目录下，编译得到Hello.lua的二进制chunk文件luac.out（默认含调试符号）
luac.exe Hello.lua
//在当前目录下，编译得到Hello1.lua和Hello2.lua的二进制chunk文件Hello.out（默认含调试符号）
luac.exe -o Hello.out Hello1.lua Hello2.lua
//编译得到Hello.lua的二进制chunk文件Hello.out（去掉调试符号）
luac.exe -s -o Hello.out Hello.lua
//对Hello1.lua和Hello2.lua只进行语法检测
//（注：只会检查语法规则，不会检查变量、函数等是否定义和实现，函数参数返回值是否合法）
luac.exe -p Hello1.lua Hello2.lua
lua 编译器以函数为单位对源代码进行编译，每个函数会被编译成一个称之为原型（Prototype）的结构，原型主要包含 6 部分内容：函数基本信息（basic info，含参数数量、局部变量数量等信息）、字节码（bytecodes）、常量（constants）表、upvalue（闭包捕获的非局部变量）表、调试信息（debug info）、子函数原型列表（sub functions）。
原型结构使用这种嵌套递归结构，来描述函数中定义的子函数：
注：lua 允许开发者可将语句写到文件的全局范围中，这是因为 lua 在编译时会将整个文件放到一个称之为 main 函数中，并以它为起点进行编译。
Hello.lua 源代码如下：
print ("hello")
function add(a, b)
return a+b
end
编译得到的 Hello.out 的二进制为：
二进制 chunk（Binary chunk）的格式并没有标准化，也没有任何官方文档对其进行说明，一切以 lua 官方实现的源代码为准。其设计并没有考虑跨平台，对于需要超过一个字节表示的数据，必须要考虑大小端（Endianness）问题。
lua 官方实现的做法比较简单：编译 lua 脚本时，直接按照本机的大小端方式生成二进制 chunk 文件，当加载二进制 chunk 文件时，会探测被加载文件的大小端方式，如果和本机不匹配，就拒绝加载。二进制 chunk 格式设计也没有考虑不同 lua 版本之间的兼容问题，当加载二进制 chunk 文件时，会检测其版本号，如果和当前 lua 版本不匹配，就拒绝加载。另外，二进制 chunk 格式设计也没有被刻意设计得很紧凑。在某些情况下，一段 lua 代码编译成二进制 chunk 后，甚至会被文本形式的源代码还要大。预编译成二进制 chunk 主要是为了提升加载速度，因此这也不是很大的问题。
头部字段：
嵌套的函数原型：
注 1：二进制 chunk 中的字符串分为三种情况：
①NULL 字符串用 0x00 表示；
② 长度小于等于 253（0xFD）的字符串，先用 1 个 byte 存储字符串长度+1 的数值，然后是字节数组；
③ 长度大于等于 254（0xFE）的字符串，第一个字节是 0xFF，后面跟一个 8 字节 size_t 类型存储字符串长度+1 的数值，然后是字节数组。
注 2：常量 tag 对应表
查看二进制 chunk 中的所有函数（精简模式）：
luac.exe -l Hello.lua
luac.exe -l Hello.out
注 1：每个函数信息包括两个部分：前面两行是函数的基本信息，后面是函数的指令列表。
注 2：函数的基本信息包括：函数名称、函数的起始行列号、函数包含的指令数量、函数地址。函数的参数 params 个数（0+表示函数为不固定参数）、寄存器 slots 数量、upvalue 数量、局部变量 locals 数量、常量 constants 数量、子函数 functions 数量。
注 3：指令列表里的每一条指令包含指令序号、对应代码行号、操作码和操作数。分号后为 luac 生成的注释，以便于我们理解指令。
注 4：整个文件内容被放置到了 main 函数中，并以它作为嵌套起点。
查看二进制 chunk 中的所有函数（详细模式）：
luac.exe -l -l Hello.lua 注：参数为 2 个-l
luac.exe -l -l Hello.out 注：详细模式下，luac 会把常量表、局部变量表和 upvalue 表的信息也打印出来
main <Test2.lua:0,0> (6 instructions at 0046e528)
0+ params, 2 slots, 1 upvalue, 0 locals, 3 constants, 1 function
序号 代码行 指令
1 [1] GETTABUP 0 0 -1 ; _ENV "print" //GETTABUP A B C //将upvalues表索引为B:0的upvalue(即：_ENV)中key为常量表索引为C:-1的(即print)，放到寄存器索引为A:0的地方
2 [1] LOADK 1 -2 ; "hello" //LOADK A Bx //将常量表索引为Bx:-2的hello加载到寄存器索引为A:1的地方
3 [1] CALL 0 2 1 ; //CALL A B C //调用寄存器索引为A:0的函数，参数个数为B:2减1(即1个)，C:1表示无返回值
4 [5] CLOSURE 0 0 ; 0046e728 //CLOSURE A Bx //将子函数原型列表索引为Bx:0的函数地址，放到寄存器索引为A:0的地方
5 [3] SETTABUP 0 -3 0 ; _ENV "add" //SETTABUP A B C //将upvalues表索引为A:0的upvalue(即：_ENV)中key为常量表索引为B:-3(即add)，设置为寄存器索引为C:0指向的值
6 [5] RETURN 0 1 ; //RETURN A B //B:1表示无返回值
constants (3) for 0046e528:
序号 常量名
1 "print"
2 "hello"
3 "add"
locals (0) for 0046e528:
upvalues (1) for 0046e528:
序号 upvalue名 是否为直接外围函数的局部变量 在外围函数调用帧的索引
0 _ENV 1 0
function <Test2.lua:3,5> (3 instructions at 0046e728)
2 params, 3 slots, 0 upvalues, 2 locals, 0 constants, 0 functions
序号 代码行 指令
1 [4] ADD 2 0 1 ; //ADD A B C //将寄存器索引为0、1的两个数相加得到的结果放到寄存器索引为2的地方
2 [4] RETURN 2 2 ; //RETURN A B //B:2表示有一个返回值 A:2表示返回值在寄存器索引为2的地方
3 [5] RETURN 0 1 ; //RETURN A B //B:1表示无返回值
constants (0) for 0046e728:
locals (2) for 0046e728:
寄存器索引 起始指令序号 终止指令序号 -1得到实际指令序号
0 a 1 4 ; a变量的指令范围为[0, 3]，起始为0表示为传入的参数变量
1 b 1 4 ; b变量的指令范围为[0, 3]
upvalues (0) for 0046e728:
luac.exe -l - // 从标准设备读入脚本，输完后按回车，然后按 Ctrl+Z 并回车，会打印出输入内容对应的二进制 chunk 内容 注：进入输入模式后可按 Ctrl+C 强制退出
luac.exe -l -- // 使用上次输入，打印出二进制 chunk 内容
luac.exe -l -l -- // 使用上次输入，详细模式下打印出二进制 chunk 内容（参数为 2 个-l）
Stack Based VM vs Rigister Based VM
高级编程语言的虚拟机是利用软件技术对硬件进行的模拟和抽象。按照实现方式，可分为两类：基于栈（Stack Based）和基于寄存器（Rigister Based）。Java、.NET CLR、Python、Ruby、Lua5.0 之前的版本的虚拟机都是基于栈的虚拟机；从 5.0 版本开始，Lua 的虚拟机改成了基于寄存器的虚拟机。
一个简单的加法赋值运算：a=b+c
基于栈的虚拟机，会转化成如下指令:
push b; // 将变量b的值压入stack
push c; // 将变量c的值压入stack
add; // 将stack顶部的两个值弹出后相加，然后将结果压入stack顶
mov a; // 将stack顶部结果放到a中
所有的指令执行，都是基于一个操作数栈的。你想要执行任何指令时，对不起，得先入栈，然后算完了再给我出栈。总的来说，就是抽象出了一个高度可移植的操作数栈，所有代码都会被编译成字节码，然后字节码就是在玩这个栈。好处是实现简单，移植性强。坏处是指令条数比较多，数据转移次数比较多，因为每一次入栈出栈都牵涉数据的转移。
基于寄存器的虚拟机，会转化成如下指令：
add a b c; // 将b与c对应的寄存器的值相加，将结果保存在a对应的寄存器中
没有操作数栈这一概念，但是会有许多的虚拟寄存器。这类虚拟寄存器有别于 CPU 的寄存器，因为 CPU 寄存器往往是定址的(比如 DX 本身就是能存东西)，而寄存器式的虚拟机中的寄存器通常有两层含义：
(1)寄存器别名(比如 lua 里的 RA、RB、RC、RBx 等)，它们往往只是起到一个地址映射的功能，它会根据指令中跟操作数相关的字段计算出操作数实际的内存地址，从而取出操作数进行计算；
(2)实际寄存器，有点类似操作数栈，也是一个全局的运行时栈，只不过这个栈是跟函数走的，一个函数对应一个栈帧，栈帧里每个 slot 就是一个寄存器，第 1 步中通过别名映射后的地址就是每个 slot 的地址。
好处是指令条数少，数据转移次数少。坏处是单挑指令长度较长。具体来看，lua 里的实际寄存器数组是用 TValue 结构的栈来模拟的，这个栈也是 lua 和 C 进行交互的虚拟栈。
lua 指令集
Lua 虚拟机的指令集为定长（Fixed-width）指令集，每条指令占 4 个字节（32bits），其中操作码（OpCode）占 6bits，操作数（Operand）使用剩余的 26bits。Lua5.3 版本共有 47 条指令，按功能可分为 6 大类：常量加载指令、运算符相关指令、循环和跳转指令、函数调用相关指令、表操作指令和 Upvalue 操作指令。
按编码模式分为 4 类：iABC（39）、iABx（3）、iAsBx（4）、iAx（1）
4 种模式中，只有 iAsBx 下的 sBx 操作数会被解释成有符号整数，其他情况下操作数均被解释为无符号整数。操作数 A 主要用来表示目标寄存器索引，其他操作数按表示信息可分为 4 种类型：OpArgN、OpArgU、OpArgR、OpArgK：
Lua 栈索引
注 1：绝对索引是从 1 开始由栈底到栈顶依次增长的；
注 2：相对索引是从-1 开始由栈顶到栈底依次递减的（在 lua API 函数内部会将相对索引转换为绝对索引）；
注 3：上图栈的容量为 7，栈顶绝对索引为 5，有效索引范围为：[1,5]，可接受索引范围为：[1, 7]；
注 4：Lua 虚拟机指令里寄存器索引是从 0 开始的，而 Lua API 里的栈索引是从 1 开始的，因此当需要把寄存器索引当成栈索引使用时，要进行+1。
Lua State
指令表
下面是 Lua 的 47 条指令详细说明：
B:1 C A:3 MOVE
把源寄存器（索引由 B 指定）里的值移动到目标寄存器（索引有 A 指定），常用于局部变量赋值和参数传递。
公式：R(A) := R(B)
Bx:2 A:4 LOADK
给单个寄存器（索引由 A 指定）设置成常量（其在常量表的索引由 Bx 指定），将常量表里的某个常量加载到指定寄存器。
在 lua 中，数值型、字符串型等局部变量赋初始值 （数字和字符串会放到常量表中）：
公式：R(A) := Kst(Bx)
Bx A:4 LOADKX
Ax:585028 EXTRAARG
LOADK 使用 Bx（18bits，最大无符号整数为 262143）表示常量表索引。当将 lua 作数据描述语言使用时，常量表可能会超过这个限制，为了应对这种情况，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）操作数来指定常量索引。
公式：R(A) := Kst(Ax)
指令名称类型操作码BCA
LOADBOOLiABC0x03OpArgUOpArgU目标寄存器 idx
B:0 C:1 A:2 LOADBOOL
给单个寄存器（索引由 A 指定）设置布尔值（布尔值由 B 指定），如果寄存器 C 为非 0 则跳过下一条指令
公式：
R(A) := (bool)B
if(C) pc++
指令名称类型操作码BCA
LOADNILiABC0x04OpArgUOpArgN目标寄存器 idx
B:4 C A:0 LOADNIL
将序号[A,A+B]连续 B+1 个寄存器设置成 nil 值，用于给连续 n 个寄存器放置 nil 值。在 lua 中，局部变量的默认初始值为 nil，LOADNIL 指令常用于给连续 n 个局部变量设置初始值。
指令名称类型操作码BCA SUBiABC0x0EOpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 SUB
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行相减，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）
公式：
R(A) := RK(B) - RK(C)
指令名称类型操作码BCA MULiABC0x0FOpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 MUL
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行相乘，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) * RK(C)
指令名称类型操作码BCA MODiABC0x10OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 MOD
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行求摸运算，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) % RK(C)
指令名称类型操作码BCA POWiABC0x11OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 POW
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行求幂运算，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) ^ RK(C)
指令名称类型操作码BCA DIViABC0x12OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 DIV
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行相除，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) / RK(C)
指令名称类型操作码BCA IDIViABC0x13OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 IDIV
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行相整除，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) // RK(C)
指令名称类型操作码BCA BANDiABC0x14OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 BAND
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行求与操作，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) & RK(C)
指令名称类型操作码BCA BORiABC0x15OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 BOR
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行求或操作，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
| 公式：R(A) := RK(B) | RK(C) |
指令名称类型操作码BCA BXORiABC0x16OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 BXOR
对两个寄存器或常量值（索引由 B 和 C 指定）进行求异或操作，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）
公式：R(A) := RK(B) ~ RK(C)
指令名称类型操作码BCA SHLiABC0x17OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 SHL
索引由 B 指定的寄存器或常量值进行左移位操作（移动位数的索引由 C 指定的寄存器或常量值），并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) « RK(C)
指令名称类型操作码BCA SHRiABC0x18OpArgKOpArgK目标寄存器 idx
B:0x001 C:0x100 A:4 SHR
索引由 B 指定的寄存器或常量值进行右移位操作（移动位数的索引由 C 指定的寄存器或常量值），并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := RK(B) » RK(C)
指令名称类型操作码BCA UNMiABC0x19OpArgROpArgN目标寄存器 idx
B:1 C A:3 UNM
对寄存器（索引由 B 指定）进行取负数操作，并将结果放入另一个寄存器中（索引由 A 指定）。
公式：R(A) := - R(B)
指令太多了，不枚举了。。。