浅析C\C++和Lua的通信方式

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：

一，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：

struct lua_State {
 CommonHeader;
 lu_byte status;
 StkId top; /* first free slot in the stack */
 global_State *l_G;
 CallInfo *ci; /* call info for current function */
 const Instruction *oldpc; /* last pc traced */
 StkId stack_last; /* last free slot in the stack */
 StkId stack; /* stack base */
 int stacksize;
 unsigned short nny; /* number of non-yieldable calls in stack */
 unsigned short nCcalls; /* number of nested C calls */
 lu_byte hookmask;
 lu_byte allowhook;
 int basehookcount;
 int hookcount;
 lua_Hook hook;
 GCObject *openupval; /* list of open upvalues in this stack */
 GCObject *gclist;
 struct lua_longjmp *errorJmp; /* current error recover point */
 ptrdiff_t errfunc; /* current error handling function (stack index) */
 CallInfo base_ci; /* CallInfo for first level (C calling Lua) */
};

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：

struct lua_TValue {
 TValuefields;
};

#define TValuefields \
  union { struct { Value v__; int tt__; } i; double d__; } u

union Value {
 GCObject *gc;  /* collectable objects */
 void *p;     /* light userdata */
 int b;      /* booleans */
 lua_CFunction f; /* light C functions */
 numfield     /* numbers */
};

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。

二，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。

如有任何疑问和建议，欢迎指出讨论，谢谢~

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