探索Lua52内部实现-虚拟机指令1概述

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Lua一直把虚拟机执行代码的效率作为一个非常重要的设计目标。而采用什么样的指令系统的对于虚拟机的执行效率来说至关重要。

Stack based vs Register based VM
根据指令获取操作数方式的不同,我们可以把虚拟机的实现分为stack based和register based。

Stack based vm
对于大多数的虚拟机,比如JVM,Python,都采用传统的stack based vm。
Stack based vm的指令一般都是在当前stack中获取和保存操作数的。比如一个简单的加法赋值运算:a=b+c,对于stack based vm,一般会被转化成如下的指令:

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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,将结果压入stack
mov a; // 将stack顶部结果放到a中

由于Stack based vm的指令都是基于当前stack来查找操作数的,这就相当于所有操作数的存储位置都是运行期决定的,在编译器的代码生成阶段不需要额外为在哪里存储操作数费心,所以stack based的编译器实现起来相对比较简单直接。也正因为这个原因,每条指令占用的存储空间也比较小。

但是,对于一个简单的运算,stack based vm会使用过多的指令组合来完成,这样就增加了整体指令集合的长度。vm会使用同样多的迭代次数来执行这些指令,这对于效率来说会有很大的影响。并且,由于操作数都要放到stack上面,使得移动这些操作数的内存复制大大增加,这也会影响到效率。

Register based vm
Lua 采用的是register based vm。

Register based vm的指令都是在已经分配好的寄存器中存取操作数。对于上面的运算,register based vm一般会使用如下的指令:

1
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

Register based vm的指令可以直接对应标准的3地址指令,用一条指令完成了上面多条指令的计算工作,并且有效地减少了内存复制操作。这样的指令系统对于效率有很大的帮助。

不过,在编译器设计上,就要在代码生成阶段对寄存器进行分配,增加了实现的复杂度。并且每条指令所占用的存储空间也相应的增加了。

Lua虚拟机指令简介
Lua的指令使用一个32bit的unsigned integer表示。所有指令的定义都在lopcodes.h文件中,使用一个enum OpCode代表指令类型。在lua5.2中,总共有40种指令(id从0到39)。根据指令参数的不同,可以将所有指令分为4类:


除了sBx之外,所有的指令参数都是unsigned integer类型。sBx可以表示负数,但表示方法比较特殊。sBx的18bit可表示的最大整数为262143,这个数的一半131071用来表示0,所以-1可以表示为-1+131071,也就是131070,而+1可以表示为+1+131071,也就是131072。

ABC一般用来存放指令操作数据的地址,而地址可以分成3种:

  • 寄存器id
  • 常量表id
  • upvalue id
    Lua使用当前函数的stack作为寄存器使用,寄存器id从0开始。当前函数的stack与寄存器数组是相同的概念。stack(n)其实就是register(n)。
    每一个函数prototype都有一个属于本函数的常量表,用于存放编译过程中函数所用到的常量。常量表可以存放nil,boolean,number和string类型的数据,id从1开始。

每一个函数prototype中都有一个upvalue描述表,用于存放在编译过程中确定的本函数所使用的upvalue的描述。在运行期,通过OP_CLOSURE指令创建一个closure时,会根据prototype中的描述,为这个closure初始化upvalue表。upvalue本身不需要使用名称,而是通过id进行访问。

A被大多数指令用来指定计算结果的目标寄存器地址。很多指令使用B或C同时存放寄存器地址和常量地址,并通过最左面的一个bit来区分。在指令生成阶段,如果B或C需要引用的常量地址超出了表示范围,则首先会生成指令将常量装载到临时寄存器,然后再将B或C改为使用该寄存器地址。

在lopcodes.h中,对于每个指令,在源码注释中都有简单的操作描述。本文接下来将针对每一个指令做更详细的描述,并给出关于这个指令的示例代码。示例代码可以帮助我们构建出一个指令使用的具体上下文,有助于进一步理解指令的作用。对指令上下文的理解还可以作为进一步研究lua的编译和代码生成系统的基础。

在分析过程中,我们使用luac来显示示例代码所生成的指令。luac的具体使用方式为:

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luac -l -l test.lua

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