Lua二进制chunk

Lua是一门以高效著称的脚本语言，为了达到较高的执行效率，Lua从1.0（1993年发布）开始就内置了虚拟机lvm。也就是说，Lua脚本并不是直接被Lua解释器解释执行的，而是类似于Java那样，先由Lua编译器编译为字节码ByteCode，然后交由Lua虚拟机去执行。Lua字节码ByteCode需要一个载体，这个载体就是二进制chunk，可以将Lua的二进制chunk看做Java的class文件。

chunk

在Lua中一段可以被Lua解释器解释执行的代码叫做chunk，chunk可以很小，小到一两条语句。也可以很大，大到包含成千上万语句和复杂的函数定义。为了获得较高的执行效率，Lua并不直接解释执行chunk，而是先由编译器编译成内部结构，其中包含字节码等信息，然后再由虚拟机执行字节码。这种内部结构在Lua里叫做预编译（Precompiled）chunk，由于采用了二进制格式，所以也叫做二进制（Binary）chunk。

隐式调用Lua编译器

Lua程序员一般无需关心二进制chunk，因为Lua解释器会在内部进行编译。Lua提供了命令行工具luac，可以把Lua源代码编译成二进制chunk，并保存成文件，默认文件名为luac.out。Lua解释器可直接加载并执行二进制chunk文件。

显式调用Lua解释器

Lua解释器会在内部编译Lua脚本，所以预编译并不会加快脚本执行的速度，但是预编译可以加快脚本加载的速度，并可以在一定程序上保护源代码。另外luac还提供了反编译功能，方便查看二进制chunk内容和Lua虚拟机指令。

luac

luac命令主要由2个用途：

作为编译器，把Lua文件编译成二进制chunk文件
作为反编译器，分析二进制chunk，将信息输出到控制台。

Lua将编译命令和反编译命令整合在一起，在命令行直接执行luac命令可查看其完整用法。

λ luac
luac: no input files given
usage: luac [options] [filenames].
Available options are:-        process stdin-l       list 查看二进制chunk-o name  output to file 'name' (default is "luac.out") 对输出文件进行明确指定-p       parse only 仅执行解释，即只是检查语法是否正确，不产生输出文件。-s       strip debug information 去掉编译生成的二进制chunk默认包含的调试信息（行号、变量名等）-v       show version information 显示版本信息--       stop handling options$ luac test.lua # 生成luac.out
$ luac test.lua -o test.out # 生成test.out
$ luac test.lua -s # 不包含调试信息
$ luac test.lua -p # 只进行语法检查

编译Lua源代码

将一个或多个文件名作为参数调用luac命令就可以编译指定的Lua源文件，若编译成功则在当前目录下生成luac.out文件，其中的内容就是对应的二进制chunk。

Lua编译器工作原理

Lua编译器以函数为单位进行编译，每个函数都会被Lua编译器编译称为一个内部结构，这个结构叫做“原型”（prototype），原型主要包含6部分内容，分别是：

函数基本信息：包含参数数量、局部变量数量等
字节码
常量表
Upvalue表
调试信息
子函数原型列表

由此可知，函数原型是一种递归结构，Lua源码中函数的嵌套关系会直接反映在编译后的原型中。

print("hello, world!")

上面仅有一条打印语句，并没有定义函数，那么Lua编译器是怎么编译这个文件的呢？由于Lua是脚本语言，如果每执行一段脚本都必须要定义一个函数，不是很麻烦吗？所以这样吃力不讨好的工作就由Lua编译器代劳了。

Lua编译器会自动为脚本添加一个main主函数，并将整个程序都放在这个函数里，然后再以它为起点进行编译，那么自然就把整个程序都编译出来了。主函数不仅仅是编译的起点，也是为了Lua虚拟机解释执行程序时的入口。

程序被Lua编译器加工后，会变成如下：

function main(...)print("hello world!")  return
end

将主函数编译成函数原型后，Lua编译器会给它再添加一个头部Header，然后一起dump成为luac.out文件，这样二进制chunk文件就产生了。

二进制chunk内部结构

查看二进制chunk

二进制chunk之所以使用二进制格式，是为了方便虚拟机加载，然后对人类却不够友好，因为其很难直接阅读。luac命令兼具编译和反编译功能，使用luac -l选项可查看二进制chunk，即luac反编译器精简模式的输出类型。

$ vim test.lua
-- test.lua
print("hello world")
$ luac test.lua
$ luac -l luac.out
main <test.lua:0,0> (4 instructions, 16 bytes at 006BECA0)
0+ params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 2 constants, 0 functions1       [2]     GETGLOBAL       0 -1    ; print2       [2]     LOADK           1 -2    ; "hello world"3       [2]     CALL            0 2 14       [2]     RETURN          0 1

$ vim test.lua
function foo()function bar()end
end
$ luac test.lua
$ luac -l test.out
main <test.lua:0,0> (3 instructions, 12 bytes at 0206ECA0)
0+ params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 1 constant, 1 function1       [4]     CLOSURE         0 0     ; 0206EE102       [1]     SETGLOBAL       0 -1    ; foo3       [4]     RETURN          0 1function <test.lua:1,4> (3 instructions, 12 bytes at 0206EE10)
0 params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 1 constant, 1 function1       [3]     CLOSURE         0 0     ; 0206EE782       [2]     SETGLOBAL       0 -1    ; bar3       [4]     RETURN          0 1function <test.lua:2,3> (1 instruction, 4 bytes at 0206EE78)
0 params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 0 constants, 0 functions1       [3]     RETURN          0 1

使用luac -l反编译打印的函数信息包含两个部分：前两行是函数基本信息，后面是指令列表

main <test.lua:0,0> (4 instructions, 16 bytes at 006BECA0)function <test.lua:1,4> (3 instructions, 12 bytes at 0206EE10)函数 <源文件名:起始行号,终止行号>(指令数量, 函数地址)

第1行：若以main开头说明编译器自动生成主函数，若以function开头则说明是一个普通函数。接着是定义函数的源文件名和函数在文件里的起止行号（对于主函数，起止行号都是0），然后是指令数量和函数地址。

第2行：依次给出函数的固定参数数量（若有+号表示是一个vararg函数）、运行函数所必要的寄存器数量、upvalue数量、局部变量数量、常量数量、子函数数量。

0+ params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 1 constant, 1 function
参数数量, 寄存器数量, upvalue数量, 局部变量数量, 常量数量, 子函数数量

指令列表中每条指令都包含指令序号、对应行号、操作码、操作数。分号后面是luac根据指令操作数生成的注释，以便于理解指令。

指令序号, 对应行号, 操作码, 操作数, 注释
1       [4]     CLOSURE         0 0     ; 0206EE10
2       [1]     SETGLOBAL       0 -1    ; foo
3       [4]     RETURN          0 1

luac反编译器详细模式输出内容，luac会将常量表、局部变量表、upvalue表信息也打印出来。

$ luac -l -l luac.outmain <test.lua:0,0> (3 instructions, 12 bytes at 01FBECA0)
0+ params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 1 constant, 1 function1       [4]     CLOSURE         0 0     ; 01FBEE282       [1]     SETGLOBAL       0 -1    ; foo3       [4]     RETURN          0 1
constants (1) for 01FBECA0:1       "foo"
locals (0) for 01FBECA0:
upvalues (0) for 01FBECA0:function <test.lua:1,4> (3 instructions, 12 bytes at 01FBEE28)
0 params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 1 constant, 1 function1       [3]     CLOSURE         0 0     ; 01FBEE902       [2]     SETGLOBAL       0 -1    ; bar3       [4]     RETURN          0 1
constants (1) for 01FBEE28:1       "bar"
locals (0) for 01FBEE28:
upvalues (0) for 01FBEE28:function <test.lua:2,3> (1 instruction, 4 bytes at 01FBEE90)
0 params, 2 slots, 0 upvalues, 0 locals, 0 constants, 0 functions1       [3]     RETURN          0 1
constants (0) for 01FBEE90:
locals (0) for 01FBEE90:
upvalues (0) for 01FBEE90:

chunk格式

Lua的二进制chunk本质上也是一个字节流

二进制chunk格式属于Lua虚拟机内部实现细节，并未标准化，也没有官方文档说明，一切以Lua官方实现的源码为准。
二进制chunk格式的设计没有考虑跨平台的需求，对于需要使用一个字节表示的数据，必须要考虑大小端（Endianness）问题。Lua官方实现的做法是编译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格式的设计没有考虑Lua版本兼容性，Lua官方做法是编译Lua脚本时，直接按照当时的Lua版本生成chunk文件，当加载二进制chunk文件时，会检测被加载文件的版本号，如果和当前Lua版本不一致则拒绝加载。
二进制chunk格式的设计没有刻意设计的很紧凑，在某些情况下一段Lua脚本被编译成二进制chunk后甚至会比文本形式的源文件还要大。由于把Lua脚本编译成二进制chunk的主要目的是为了获得更快的加载速度，所以这也不是什么大问题。

数据类型

二进制chunk本质上来说是一个字节流，一个字节能够表示的信息是非常有限的，如一个ASCII码或一个很小的整数可以放进一个字节内，但是更复杂的信息就必须通过某种编码方式编码成多个字节。在讨论二进制chunk格式时，称这种被编码为一个或多个字节的信息单位为数据类型。

由于Lua官方实现是使用C语言编写的，所以C语言的一些数据类型会直接反映在二进制chunk的格式里。二进制chunk内部使用的数据类型大致分为数字、字符串、列表三种。

数字

数字类型主要包括5种：

字节：用来存放一些比较小的整数值，比如Lua版本号、函数的参数个数等。
C语言cint整型：主要用来表示列表长度
C语言size_t类型：主要用来表示长字符串长度
Lua整数：Lua整数和Lua浮点数则主要在常量表里出现，记录Lua脚本中出现的整数和浮点数字面量。
Lua浮点数

数字类型在二进制chunk里都按照固定长度存储，除字节类型外，其余4种数字类型都会占用多个字节，具体占用字节数则会及记录在头部中。

二进制chunk整数类型

字符串

字符串在二进制chunk中其实是一个字节数组，因为字符串长度不固定，所以需要将字节数组的长度也记录到二进制chunk中。作为优化，字符串类型又可以进一步分为短字符串和长字符串，具体有3种情况：

对于NULL字符串只用0x00表示即可
对于长度小于等于2530xFD的字符串，先使用一个字节记录长度+1，然后是字节数组。
对于长度大于等于254oxFE的字符串，第一个字节是oxFF，其后是size_t记录长度+1，最后是字节数组。

字符串存储格式

列表

在二进制chunk内部，指令表、常量表、子函数原型表等信息都按照列表的方式存储。即先用一个cint类型记录列表长度，然后紧接着存储n个列表元素，至于列表元素如何存储需具体情况具体分析。