lua解析脚本过程中的关键数据结构介绍
2016-01-29 16:23
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在这一篇文章中我先来介绍一下lua解析一个脚本文件时要用到的一些关键的数据结构,为将来的一系列代码分析打下一个良好的基础。在整个过程中,比较重要的几个源码文件分别是:llex.h,lparse.h、lobject.h和lopcode.h。
在llex.h中
其中当token是数字是内容存放在r中,其他情况存放在ts指向的TString中。
下面是最重要的一个数据结构之一
LexState不仅用于保存当前的词法分析状态信息,而且也保存了整个编译系统的全局状态。current指向了当前字符,t存放了当前的toekn,lookahead存放了向前看的token,由此我认为lua应该是ll(1)的~哈哈(不知道对不对)。fs指向了parser当前解析的函数的一些相关的信息,L指向了当前lua_State结构,z指向输入流,buff指向了token buffer,其他的看注释吧。
下面看看lparse.h文件中的重要结构:
upvaldesc是存放了upval的相关描述信息。
最后是本文件中最重要的结构:
在编译过程中,使用FuncState结构体来保存一个函数编译的状态数据。其中,f指向了本函数的协议描述结构体,prev指向了其父函数的FuncState描述,因为在lua中可以在一个函数中定义另一个函数,因此当parse到一个函数的内部函数的定义时会new一个FuncState来描述内部函数,同时开始parse这个内部函数,将这个FuncState的prev指向其外部函数的FuncState,prev变量用来引用外围函数的FuncState,使当前所有没有分析完成的FuncState形成一个栈结构。bl指向当前parse的block,在一个函数中会有很多block代码,lua会将这些同属于同一个函数的block用链表串联起来。jpc是一个OP_JMP指令的链表,因为lua是一遍过的parse,在开始的时候有一些跳转指令不能决定其跳转位置,因此jpc将这些pending
jmp指令串联起来,在以后能确定的时候回填,freereg为第一个空闲寄存器的下标,upvalues数组保存了当前函数的所有upvalue,nactvar是当前作用域的局部变量数。
在lparse.c中定义了BlockCnt
Lua使用BlockCnt来保存一个block的数据。与FuncState的分析方法类似,BlockCnt使用一个previous变量保存外围block的引用,形成一个栈结构。
下面介绍一些在lobject.h文件里面的数据结构
则parse完成后会有如图如下关系
在Proto结构体中,k指向一个const变量数组,存放则函数要用到的常量;code指向lua parse过程中生成的本函数的instruction集合;p就是指向本函数内部定义的函数的那些proto;locvars指向本函数局部变量数组;upvalues指向本函数upvalue变量数组;nups为upvalue的数量;numparams为函数参数的数量;is_vararg表示函数是否接收可变参数;maxstacksize为函数stack的max大小。
在编译期间lua使用Proto描述函数的,当lua vm开始运行vm时需要根据Proto生成相应的Closure来执行vm instructions。
Closure要么代表了c函数,要么为lua函数,在这里我们只看lua函数的LClosure
在LClousre中,p就是指向对应函数的Proto结构体啦,upvals顾名思义就是此closure的upvalue数组罗。在ClosureHeader宏中isC表示此closure是否是c函数,nupvalues为upvalue数目,env指向了此closue运行时的函数环境,在lua中可以用stefenv来改变当前函数的环境,就是改变env变量的指向啦。
最后,在文件lopcode.h中定义了lua vm的指令结构
下面是vm指令的一些定义与描述,我在相应vm指令的上方添加了一些注释
在llex.h中
typedef struct Token { int token; SemInfo seminfo; } Token;Token代表了一个词法单元,其中token表示词法类型如TK_NAME、TK_NUMBER等如果不是这些类型则存放则词素的字符表示,例如分析的代码会这么判断词素单元:
switch (ls->t.token) { case '(': { //... } case TK_NAME: { //... } default: { //... }在Token中SemInfo存放了一些语义相关的一些内容信息
1 typedef union { 2 lua_Number r; 3 TString *ts; 4 } SemInfo; /* semantics information */
其中当token是数字是内容存放在r中,其他情况存放在ts指向的TString中。
下面是最重要的一个数据结构之一
typedef struct LexState { int current; /* current character (charint) */ int linenumber; /* input line counter */ int lastline; /* line of last token `consumed' */ Token t; /* current token */ Token lookahead; /* look ahead token */ struct FuncState *fs; /* `FuncState' is private to the parser */ struct lua_State *L; ZIO *z; /* input stream */ Mbuffer *buff; /* buffer for tokens */ TString *source; /* current source name */ char decpoint; /* locale decimal point */ } LexState;
LexState不仅用于保存当前的词法分析状态信息,而且也保存了整个编译系统的全局状态。current指向了当前字符,t存放了当前的toekn,lookahead存放了向前看的token,由此我认为lua应该是ll(1)的~哈哈(不知道对不对)。fs指向了parser当前解析的函数的一些相关的信息,L指向了当前lua_State结构,z指向输入流,buff指向了token buffer,其他的看注释吧。
下面看看lparse.h文件中的重要结构:
typedef struct expdesc { expkind k; union { struct { int info, aux; } s; lua_Number nval; } u; int t; /* patch list of `exit when true' */ int f; /* patch list of `exit when false' */ } expdesc;expdesc是存放了表达式的相关描述信息,k是表达式的种类,u在不同的表达式中有不同的含义。
1 typedef struct upvaldesc { 2 lu_byte k; 3 lu_byte info; 4 } upvaldesc;
upvaldesc是存放了upval的相关描述信息。
最后是本文件中最重要的结构:
typedef struct FuncState { Proto *f; /* current function header */ Table *h; /* table to find (and reuse) elements in `k' */ struct FuncState *prev; /* enclosing function */ struct LexState *ls; /* lexical state */ struct lua_State *L; /* copy of the Lua state */ struct BlockCnt *bl; /* chain of current blocks */ int pc; /* next position to code (equivalent to `ncode') */ int lasttarget; /* `pc' of last `jump target' */ int jpc; /* list of pending jumps to `pc' */ int freereg; /* first free register */ int nk; /* number of elements in `k' */ int np; /* number of elements in `p' */ short nlocvars; /* number of elements in `locvars' */ lu_byte nactvar; /* number of active local variables */ upvaldesc upvalues[LUAI_MAXUPVALUES]; /* upvalues */ unsigned short actvar[LUAI_MAXVARS]; /* declared-variable stack */ } FuncState;
在编译过程中,使用FuncState结构体来保存一个函数编译的状态数据。其中,f指向了本函数的协议描述结构体,prev指向了其父函数的FuncState描述,因为在lua中可以在一个函数中定义另一个函数,因此当parse到一个函数的内部函数的定义时会new一个FuncState来描述内部函数,同时开始parse这个内部函数,将这个FuncState的prev指向其外部函数的FuncState,prev变量用来引用外围函数的FuncState,使当前所有没有分析完成的FuncState形成一个栈结构。bl指向当前parse的block,在一个函数中会有很多block代码,lua会将这些同属于同一个函数的block用链表串联起来。jpc是一个OP_JMP指令的链表,因为lua是一遍过的parse,在开始的时候有一些跳转指令不能决定其跳转位置,因此jpc将这些pending
jmp指令串联起来,在以后能确定的时候回填,freereg为第一个空闲寄存器的下标,upvalues数组保存了当前函数的所有upvalue,nactvar是当前作用域的局部变量数。
在lparse.c中定义了BlockCnt
/* ** nodes for block list (list of active blocks) */ typedef struct BlockCnt { struct BlockCnt *previous; /* chain */ int breaklist; /* list of jumps out of this loop */ lu_byte nactvar; /* # active locals outside the breakable structure */ lu_byte upval; /* true if some variable in the block is an upvalue */ lu_byte isbreakable; /* true if `block' is a loop */ } BlockCnt;
Lua使用BlockCnt来保存一个block的数据。与FuncState的分析方法类似,BlockCnt使用一个previous变量保存外围block的引用,形成一个栈结构。
下面介绍一些在lobject.h文件里面的数据结构
/* ** Function Prototypes */ typedef struct Proto { CommonHeader; TValue *k; /* constants used by the function */ Instruction *code; struct Proto **p; /* functions defined inside the function */ int *lineinfo; /* map from opcodes to source lines */ struct LocVar *locvars; /* information about local variables */ TString **upvalues; /* upvalue names */ TString *source; int sizeupvalues; int sizek; /* size of `k' */ int sizecode; int sizelineinfo; int sizep; /* size of `p' */ int sizelocvars; int linedefined; int lastlinedefined; GCObject *gclist; lu_byte nups; /* number of upvalues */ lu_byte numparams; lu_byte is_vararg; lu_byte maxstacksize; } Proto;结构体Proto是lua函数协议的描述,在lua解析脚本时首先会将main chunk代码包裹为一个函数,用main proto描述,接着将里面定义的内部函数一一用Proto结构体描述,将这些Proto的关系用树来组合起来,例如有lua源码文件如下
a = 1 function f1() -- ... end function f2() function f3() -- ... end end
则parse完成后会有如图如下关系
在Proto结构体中,k指向一个const变量数组,存放则函数要用到的常量;code指向lua parse过程中生成的本函数的instruction集合;p就是指向本函数内部定义的函数的那些proto;locvars指向本函数局部变量数组;upvalues指向本函数upvalue变量数组;nups为upvalue的数量;numparams为函数参数的数量;is_vararg表示函数是否接收可变参数;maxstacksize为函数stack的max大小。
在编译期间lua使用Proto描述函数的,当lua vm开始运行vm时需要根据Proto生成相应的Closure来执行vm instructions。
1 typedef union Closure { 2 CClosure c; 3 LClosure l; 4 } Closure;
Closure要么代表了c函数,要么为lua函数,在这里我们只看lua函数的LClosure
#define ClosureHeader \ CommonHeader; lu_byte isC; lu_byte nupvalues; GCObject *gclist; \ struct Table *env //... ... typedef struct LClosure { ClosureHeader; struct Proto *p; UpVal *upvals[1]; } LClosure;
在LClousre中,p就是指向对应函数的Proto结构体啦,upvals顾名思义就是此closure的upvalue数组罗。在ClosureHeader宏中isC表示此closure是否是c函数,nupvalues为upvalue数目,env指向了此closue运行时的函数环境,在lua中可以用stefenv来改变当前函数的环境,就是改变env变量的指向啦。
最后,在文件lopcode.h中定义了lua vm的指令结构
下面是vm指令的一些定义与描述,我在相应vm指令的上方添加了一些注释
typedef enum { /*---------------------------------------------------------------------- name args description ------------------------------------------------------------------------*/ OP_MOVE,/* A B R(A) := R(B) */ //Constants are usually numbers or strings. Each function has its own constant list, or pool. OP_LOADK,/* A Bx R(A) := Kst(Bx) */ OP_LOADBOOL,/* A B C R(A) := (Bool)B; if (C) pc++ */ //The optimization rule is a simple one: If no other instructions have been generated, //then a LOADNIL as the first instruction can be optimized away. OP_LOADNIL,/* A B R(A) := ... := R(B) := nil */ OP_GETUPVAL,/* A B R(A) := UpValue[B] */ OP_GETGLOBAL,/* A Bx R(A) := Gbl[Kst(Bx)] */ OP_GETTABLE,/* A B C R(A) := R(B)[RK(C)] */ OP_SETGLOBAL,/* A Bx Gbl[Kst(Bx)] := R(A) */ OP_SETUPVAL,/* A B UpValue[B] := R(A) */ OP_SETTABLE,/* A B C R(A)[RK(B)] := RK(C) */ OP_NEWTABLE,/* A B C R(A) := {} (size = B,C) */ //This instruction is used for object-oriented programming. It is only generated for method calls that use the colon syntax. //R(B) is the register holding the reference to the table with the method. OP_SELF,/* A B C R(A+1) := R(B); R(A) := R(B)[RK(C)] */ //The optimization rule is simple: If both terms of a subexpression are numbers, //the subexpression will be evaluated at compile time. OP_ADD,/* A B C R(A) := RK(B) + RK(C) */ OP_SUB,/* A B C R(A) := RK(B) - RK(C) */ OP_MUL,/* A B C R(A) := RK(B) * RK(C) */ OP_DIV,/* A B C R(A) := RK(B) / RK(C) */ OP_MOD,/* A B C R(A) := RK(B) % RK(C) */ OP_POW,/* A B C R(A) := RK(B) ^ RK(C) */ OP_UNM,/* A B R(A) := -R(B) */ OP_NOT,/* A B R(A) := not R(B) */ //Returns the length of the object in R(B) OP_LEN,/* A B R(A) := length of R(B) */ //Performs concatenation of two or more strings. //The source registers must be consecutive, and C must always be greater than B. OP_CONCAT,/* A B C R(A) := R(B).. ... ..R(C) */ //if sBx is 0, the VM will proceed to the next instruction OP_JMP,/* sBx pc+=sBx */ /*If the boolean result is not A, then skip the next instruction. Conversely, if the boolean result equals A, continue with the next instruction.*/ OP_EQ,/* A B C if ((RK(B) == RK(C)) ~= A) then pc++ */ OP_LT,/* A B C if ((RK(B) < RK(C)) ~= A) then pc++ */ OP_LE,/* A B C if ((RK(B) <= RK(C)) ~= A) then pc++ */ OP_TEST,/* A C if not (R(A) <=> C) then pc++ */ //register R(B) is coerced into a boolean. OP_TESTSET,/* A B C if (R(B) <=> C) then R(A) := R(B) else pc++ */ //If B is 0, parameters range from R(A+1) to the top of the stack.If B is 1, the function has no parameters. //If C is 1, no return results are saved. If C is 0, then multiple return results are saved, depending on the called function //CALL always updates the top of stack value. OP_CALL,/* A B C R(A), ... ,R(A+C-2) := R(A)(R(A+1), ... ,R(A+B-1)) */ OP_TAILCALL,/* A B C return R(A)(R(A+1), ... ,R(A+B-1)) */ //If B is 1, there are no return values. If B is 0, the set of values from R(A) to the top of the stack is returned. OP_RETURN,/* A B return R(A), ... ,R(A+B-2) (see note) */ //FORPREP initializes a numeric for loop, while FORLOOP performs an iteration of a numeric for loop. OP_FORLOOP,/* A sBx R(A)+=R(A+2); if R(A) <?= R(A+1) then { pc+=sBx; R(A+3)=R(A) }*/ OP_FORPREP,/* A sBx R(A)-=R(A+2); pc+=sBx */ //Performs an iteration of a generic for loop. OP_TFORLOOP,/* A C R(A+3), ... ,R(A+2+C) := R(A)(R(A+1), R(A+2)); if R(A+3) ~= nil then R(A+2)=R(A+3) else pc++ */ //This instruction is used to initialize array elements in a table. //If B is 0, the table is set with a variable number of array elements, from register R(A+1) up to the top of the stack. //If C is 0, the next instruction is cast as an integer, and used as the C value. OP_SETLIST,/* A B C R(A)[(C-1)*FPF+i] := R(A+i), 1 <= i <= B */ /*If a local is used as an upvalue, then the local variable need to be placed somewhere, other wise it will go out of scope and disappear when a lexicalblock enclosing the local variable ends. CLOSE performs this operation for all affected local variables for do end blocks or loop blocks. RETURN also does an implicit CLOSE when a function returns.*/ OP_CLOSE,/* A close all variables in the stack up to (>=) R(A)*/ /*Each upvalue corresponds to either a MOVE or a GETUPVAL pseudo-instruction. Only the B field on either of these pseudo-instructions are significant.*/ //MOVE pseudo-instructions corresponds to local variable R(B) in the current lexical block. //GETUPVAL pseudo-instructions corresponds upvalue number B in the current lexical block. OP_CLOSURE,/* A Bx R(A) := closure(KPROTO[Bx], R(A), ... ,R(A+n)) */ //If B is 0, VARARG copies as many values as it can based on the number of parameters passed. //If a fixed number of values is required, B is a value greater than 1. OP_VARARG/* A B R(A), R(A+1), ..., R(A+B-1) = vararg */ } OpCode;
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