lua全局状态机

本文内容基于版本：Lua 5.3.0

global_State概述

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global_State结构，我们可以称之为Lua全局状态机。从Lua的使用者角度来看，global_State结构是完全感知不到的：我们无法用Lua公开的API获取到它的指针、句柄或引用，而且实际上我们也并不需要引用到它。但是对于Lua的实现来说，global_State是十分重要的部分：它里面有对主线程（lua_State实例）的引用、有全局字符串表、有内存管理函数、有GC需要的相关信息以及一切Lua在工作时需要的工作内存等等。

global_State与lua_State结构的关联

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通过luaL_newstate函数创建虚拟机时，第一块申请的内存将用来存储lua_State（主线程）和global_State（全局状态机）实例。为了避免内存碎片的产生，同时减少内存分配和释放的次数，Lua采用了一个小技巧：利用一个LG结构，把分配lua_State和global_State的行为关联在一起。这个LG结构是在C文件内部定义，而不存在公开的H文件中，仅供该C代码文件使用，因此这种依赖数据结构内存布局的用法负作用不大。

// luaconf.h

/*

@@ LUA_EXTRASPACE defines the size of a raw memory area associated with

** a Lua state with very fast access.

** CHANGE it if you need a different size.

*/

#define LUA_EXTRASPACE        (sizeof(void *))

// lstate.c

/*

** thread state + extra space

*/

typedef struct LX {

  lu_byte extra_[LUA_EXTRASPACE];

  lua_State l;

} LX;

/*

** Main thread combines a thread state and the global state

*/

typedef struct LG {

  LX l;

  global_State g;

} LG;

global_State的创建和销毁

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• global_State的创建和初始化

// lstate.c
LUA_API lua_State *lua_newstate (lua_Alloc f, void *ud) {

  int i;

  lua_State *L;

  global_State *g;

  LG *l = cast(LG *, (*f)(ud, NULL, LUA_TTHREAD, sizeof(LG)));

  if (l == NULL) return NULL;

  L = &l->l.l;

  g = &l->g;

  ......

  return L;

}

• global_State的销毁

// lstate.c

LUA_API void lua_close (lua_State *L) {

  L = G(L)->mainthread;  /* only the main thread can be closed */

  lua_lock(L);

  close_state(L);

}

// lstate.c

static void close_state (lua_State *L) {

  global_State *g = G(L);

  luaF_close(L, L->stack);  /* close all upvalues for this thread */

  luaC_freeallobjects(L);  /* collect all objects */

  if (g->version)  /* closing a fully built state? */

    luai_userstateclose(L);

  luaM_freearray(L, G(L)->strt.hash, G(L)->strt.size);

  luaZ_freebuffer(L, &g->buff);

  freestack(L);

  lua_assert(gettotalbytes(g) == sizeof(LG));

  (*g->frealloc)(g->ud, fromstate(L), sizeof(LG), 0);  /* free main block */

}

fromstate(L)宏

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fromstate(L)宏的实现源码：

// stddef.h（Linux & Windows）

#define offsetof(s,m)   (size_t)&(((s *)0)->m)

// llimits.h

#define cast(t, exp)    ((t)(exp))

// lstate.c

#define fromstate(L)    (cast(LX *, cast(lu_byte *, (L)) - offsetof(LX, l)))

fromstate(L)宏的实现图解：