作者：nicochen，腾讯 IEG 游戏开发工程师

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。

GC步骤

global_State中的gcstate记录了当前incremental gc的执行状态。根据执行状态，整个gc过程被分为很多步执行。

GCSpause

GCSpause状态标志着当前没有开始gc。gc一旦开始，第一步要做的就是标识所有的root对象。root对象包括global_State引用的mainthread对象，registry table，全局的metatable和上次gc所产生的还没有进行finalize的垃圾对象。标识工作就是将white对象设置成gray，是通过函数reallymarkobject进行的。reallymarkobject会根据不同的对象作不同的处理。 对于string对象，本身没有对其它对象的引用，就可以立即设置成black，无需等待后面的遍历。对于userdata对象，只会引用到一个metatable和env，所以直接mark后也可以立即设置成black。对于upvalue对象，直接mark引用的对象。所有root对象会被设置成gray状态，等待下一步的propagate。第一步完成后，gc状态会切换成GCSpropagate。

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GCObject

Lua使用union GCObject来表示所有的垃圾回收对象：

182 /*
183 ** Union of all collectable objects
184 */
185 union GCObject {
186   GCheader gch;  /* common header */
187   union TString ts;
188   union Udata u;
189   union Closure cl;
190   struct Table h;
191   struct Proto p;
192   struct UpVal uv;
193   struct lua_State th;  /* thread */
194 };

这就相当于在C++中，将所有的GC对象从GCheader派生，他们都共享GCheader。

原文链接 Lua5.2采用垃圾回收机制对所有的lua对象(GCObject)进行管理。Lua虚拟机会定期运行GC，释放掉已经不再被被引用到的lua对象。

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基本概念 Lua函数引入了很多functional programming的概念，这些概念使得Lua函数在使用上可谓“功能强大，简洁统一”，非常符合程序员的“审美观”。 函数在Lua中属于“带有词法范围的一类值”(first-class values with proper lexical scoping)。

原文链接 Lua使用TString结构体代表一个字符串对象。

/*
** Header for string value; string bytes follow the end of this structure
*/
typedef union TString {
  L_Umaxalign dummy;  /* ensures maximum alignment for strings */
  struct {
    CommonHeader;
    lu_byte extra;  /* reserved words for short strings; "has hash" for longs */
    unsigned int hash;
    size_t len;  /* number of characters in string */
  } tsv;
} TString;

hash用来记录字符串对应的哈希值，len用来记录字符串长度。

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常量表达式

常量表达式在Lua用来表示"nil"，“true”，“false”，字符串和数字的值。在BNF中常量表达式属于终结符，也就是语法解析的最底端，在simpleexp函数中被解析出来，并创建对应类型的expdesc对象。VNIL，VTRUE和VFALSE这三个类型本身就对应3个固定的值，没有什么额外的数据。VKNUM类型代表数字常量，需要在nval中存放从词法分析中得到的lua_Number。VK类型用来表示一个通常意义上的常量表达式，使用info来存储他所代表的常量值在常量表中的id。字符串常量就被直接创建成VK类型，然后将其对应的字符串值保存到常量表中，并将id保存到info中。 由于常量表达式的值是一个常量，所以本身不需要生成任何用于估值计算的指令，完全为高层语义的指令生成提供服务。当高层语义要将常量装入一个寄存器时，比如local a＝“foo”，会调用discharge2reg函数，生成OP_LOADK指令。Lua中的很多指令都可以直接使用常量作为操作数，比如算数指令。当高层语义要将常量当作其他指令的参数时，会调用luaK_exp2RK函数，返回这个常量对应的id。

​ 表达式(expression)在编程语言中代表一个可以返回值的语法单位，比如常量表达式，变量表达式，函数调用表达式，算术、关系和逻辑表达式等等。对于函数式编程语言来说，几乎所有的语句都是表达式，可以被估值。而对于命令式语言，一般会将语句分成表达式和陈述语句(statement)。表达式可以被估值，而普通的陈述语句用来执行命令。根据具体的语法，这两种类型不一定会有明确的界限。比如在C中，a = b既是一个用来赋值的陈述语句，又是一个表达式，而作为表达式的结果是最终的a值。所以，像c = a = b这样的语句是成立的，意思是将a = b作为表达式，并将值赋给c。