通过字节码理解lua的for循环

Doris232 · 发表于 2022-4-6 18:38

SH疫情隔离在家，打算把lua和unity热更新相关的问题再升入学习一下。本篇是这个系列的第一篇。
一直以来笔者都抱有这样一个观念：lua是个好语言但被滥用了，一门胶水语言在当前的游戏开发中承担了它不该承担的任务。作为一种弱类型语言，并且没有建立足够成熟的生态（包括编辑器、第三方库）的情况下，被作为手游客户端开发的主语言，动辄几万行的业务逻辑。这对项目和开发者来说都不是一个好的选择，只能说是向ios这个傲慢的平台的一种妥协。
如果可以选择的话，我只想说：lua都不写！
先看一段lua代码
local i = 0 for i = 1,5 do i = 5 print(i) end print("after loop") print(i)
这里我们关注两个问题：
1.for循环执行了多少次？

2.afterloop之后，打印出来的i的值是多少？

loop.png

第二个问题比较好理解，由于在for循环内部出现了同名的控制变量，所以外部i实际上在循环内部没有作用域，因此并没有被赋值。
但第一个问题，为什么循环依然执行了5次，而不是在i=5这次赋值之后进入for循环的下一次判断就结束呢？
要解释这个问题，我们就需要探究一下lua代码底层到底是怎么执行的了。
lua程序的运行方式：

1.由lua解释器将lua代码翻译成指令序列

2.由lua虚拟机执行指令序列

（lua解释器和lua虚拟机均由纯粹的C语言实现，要理解更完整的实现细节可以参考lua源代码http://www.lua.org/download.html）

每条lua指令由 操作码+操作数 组成

一条指令使用一个32bit的无符号整数表示，其中低6位表示操作码，操作码定义在lopcodes.h中
如何查看lua代码对应的指令序列

方法一，直接通过luac输出指令序列（这种方法没有对指令的额外解释，对新手来说不太友好）
命令行：luac -l test.lua
方法二，通过ChunkSpy.lua辅助解析
命令行：lua ChunkSpy.lua --source test.lua
（ChunkSpy.lua的获取地址https://github.com/viruscamp/luadec/tree/master/ChunkSpy）

通过方法二我们可以得到上面那段代码对应的lua指令序列
1. local i = 0  2.003B  01000000          [01] loadk    0 0       ; R0 := K0(=0)  3. for i = 1,5 do  4.003F  41400000          [02] loadk    1 1       ; R1 := K1(=1)  5.0043  81800000          [03] loadk    2 2       ; R2 := K2(=5)  6.0047  C1400000          [04] loadk    3 1       ; R3 := K1(=1)  7.004B  68C00080          [05] forprep 1 4       ; R1 -= R3; pc+=4 (goto [10])  8.       i = 5  9.004F  01810000          [06] loadk    4 2       ; R4 := K2(=5)  10.       print(i)  11.0053  46C14000          [07] gettabup  5 0 259  ; R5 := U0(=_ENV)[K3(="print")]  12.0057  80010002          [08] move    6 4       ; R6 := R4  13.005B  64410001          [09] call    5 2 1 ;  := R5(R6)  14. end  15.005F  6780FE7F          [10] forloop 1 -5    ; R1 += R3; if R1 <= R2 then { R4 := R1; pc+=-5 (goto [6]) }  16. print("after loop")  17.0063  46C04000          [11] gettabup  1 0 259  ; R1 := U0(=_ENV)[K3(="print")]  18.0067  81000100          [12] loadk    2 4       ; R2 := K4(="after loop")  19.006B  64400001          [13] call    1 2 1 ;  := R1(R2)  20. print(i)  21.006F  46C04000          [14] gettabup  1 0 259  ; R1 := U0(=_ENV)[K3(="print")]  22.0073  80000000          [15] move    2 0       ; R2 := R0  23.0077  64400001          [16] call    1 2 1 ;  := R1(R2)  24.007B  26008000          [17] return 0 1       ; return
重点关注这几行：
4-7行
9行
15行

我们解释一下其中几个关键的命令
loadk A B --R(A) := K(B)加载常量操作码，将B所指的常量加载到A所指的寄存器中move A B --R(A) := R(B)赋值操作码，将寄存器B中的值拷贝到寄存器A中。 forprep A B --R(A) -= R(A+2); PC += B初始化数字for循环forloop A B --R(A) += R(A+2); if R(A) <= R(A+1) then { R(A+3) := R(A); PC + =-B}执行数字for循环的一次迭代
我们看一下《lua虚拟机指令简明手册》中关于for循环指令的说明：
数字for循环要求栈上的4个寄存器，每个寄存器都必须是数值。R(A)持有初始值并作为内部循环变量（内部索引）；R(A+1)是界限；R(A+2)是步进值；R(A+3)是局部于 for 块的实际循环变量（外部索引）
我们注意这里，for循环用于循环移步和条件判断的始终是R(A)寄存器中的值（对应上面那段代码中的R1)，而for循环内部执行段中使用的变量则是寄存器R(A+3)中的值（对应R4)，并且每次重新进入循环体之前，R4还会重新被赋值为R1中的值(if R1 <= R2 then { R4 := R1} )
并且《lua虚拟机指令简明手册》特别强调了lua的for循环实现是和传统的测试+跳转的循环方式是不同的。

那么我们再来看一下所谓的“传统的测试和跳转”是怎样的执行过程。以大家最熟悉的C语言为例：
int main()  {    for (int i = 0; i < 10; i++)    {       i = 10;    }       return 0;  }
我们查看对应的汇编代码：
1. for (int i = 0; i < 10; i++)  2.007C17C8  mov       dword ptr [ebp-8],0 3.007C17CF  jmp       main+3Ah (07C17DAh) 4.007C17D1  mov       eax,dword ptr [ebp-8] 5.007C17D4  add       eax,1 6.007C17D7  mov       dword ptr [ebp-8],eax 7.007C17DA  cmp       dword ptr [ebp-8],0Ah 8.007C17DE  jge       main+49h (07C17E9h) 9. {  10.       i = 10;  11.007C17E0  mov       dword ptr [ebp-8],0Ah 12. }  007C17E7  jmp       main+31h (07C17D1h)
注意到这里所有关于控制变量i的操作都对应于dword ptr [ebp-8]
这就是传统的力量！
看到这里，我真是要diss一下lua的for循环设计，整这些花里胡哨的特性有啥用啊？你不会比C语言之父还懂编程吧？

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