Lua中闭包详解 来自RingOfTheC[ring.of.the.c@gmail.com]

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这里, 简单的记录一下lua中闭包的知识和C闭包调用

前提知识: 在lua api小记2中已经分析了lua中值的结构, 是一个 TValue{value, tt}组合, 如果有疑问, 可以去看一下

一些重要的数据结构

lua中有两种闭包, c闭包和lua闭包

两种闭包的公共部分:

#define ClosureHeader CommonHeader;     lu_byte isC;        lua_byte nupvalues; GCObject* gclist;       struct Table env

/*是否是C闭包*/     /*upval的个数*/                                   /* 闭包的env, set/getenv就是操纵的它 */

C闭包的结构

struct CClosure{

ClosureHeader;

lua_CFunction f;

TValue upvalue[1];

}

结构比较简单, f是一个满足 int lua_func(lua_State*) 类型的c函数

upvalue是创建C闭包时压入的upvalue, 类型是TValue, 可以得知, upvalue可以是任意的lua类型

Lua闭包结构

struct LClosure{

ClosureHeader;

strcut Proto* p;

UpVal* upvals[1];

}

Proto的结构比较复杂, 这里先不做分析

统一的闭包结构, 一个联合体, 说明一个闭包要么是C闭包, 要么是lua闭包, 这个是用isC表识出来的.

union Closure{

CClosure c;

LClosure  l;

}

纠结的闭包

为什么大家叫闭包, 不叫它函数, 它看起来就是函数啊? 为什么要发明一个"闭包"这么一个听起来蛋疼的词呢? 我也纠结在这里好久了, 大概快一年半了吧~~~=.=我比较笨~~~随着看源码, 现在想通了, 拿出一些的自己在研究过程中的心得[尽量的通俗易懂]:

1. c 语言中的函数的定义: 对功能的抽象块, 这个大家没什么异议吧.

2. lua对函数做了扩展:

a. 可以把几个值和函数绑定在一起, 这些值被称为upvalue.

ps:  可能有人觉得c++的函数对象也可以把几个值和函数绑定起来啊, 是这样的, 但是这个问题就像是"在汇编中也可以实现面向对象呀"一样, lua从语言层面对upvalue提供了支持, 就像c++/java从语言层面提供了对类, 对象的支持一样, 当然大大的解放了我们程序员的工作量, 而且配上lua动态类型, 更是让人轻松了不少.

b. 每个函数可以和一个env(环境)绑定.

ps:  如果说上面的upvalue还能在c++中coding出来, 那么env 上下文环境这种动态语言中特有的东西c++就没有明显的对应结构了吧? 可能有人觉得lua是c写的, 通过coding也可以实现, 好吧=.= , "能做和做"是两码事, 就想你能步行从北京到上海, 不表明你就必须要这么做. env是非常重要和有用的东西, 它可以轻松创造出一个受限的环境, 就是传说中的"沙盒", 我说的更通俗一点就是"一个动态名字空间机制". 这个先暂时不分析.

好了, 现在我们看到

c       函数    { 功能抽象 }

            lua    闭包     {功能抽象, upvalue, env}

            重点: 闭包 == {功能抽象, upvalue, env}

 

看到这里, 大家都明白了, 如果把lua中的{功能抽象, upvalue, env}也称为函数, 不但容易引起大家的误解以为它就是和c函数一样, 而且它确实不能很好的表达出lua函数的丰富内涵, 闭包, "闭" 是指的它是一个object, 一个看得见摸得着的东西, 不可分割的整体(first class); "包" 指的是它包含了功能抽象, upvalue, env. 这 里一个很有趣的事实就是, {功能抽象, upvalue, env}是很多动态语言的一个实现特征, 比如lua, javascript都有实现这样的结构, 它是先被实现出来, 然后冠以"闭包"这样一个名称. 所以, 你单单想去理解闭包这个词的话, 基本是没有办法理解的, 去网上查闭包, 没用, 你能查到的就是几个用闭包举出的例子, 看完以后保证你的感觉是"这玩意挺神秘的, 但是还是不懂什么是闭包", 为什么不懂?  因为它指的是一种实现结构特征, 是为了实现动态语言中的函数first class和上下文概念而创造出来的.

宁可多说几句, 只要对加深理解有好处就行, 有这样两个个句子"我骑车去买点水果" "我用来闭包{功能抽象, upvalue, env}实现动态语言中的函数first class和上下文概念" , 闭包和"骑车"都是你达到目地的一种手段, 为了买水果你才想了"骑车"这样一个主意, 并不是为了骑车而去买水果. 只把把眼睛盯在骑车上是不对的, 它只是手段.

向lua中注册c函数的过程是通过lua_pushcclosure(L, f, n)函数实现的

流程:  1. 创建一个 sizeof(CClosure) + (n - 1) * sizeof(TValue)大小的内存, 这段内存是 CClosure + TValue[n], 并做gc簿记[这点太重要了, 为什么lua要控制自己世界中的所有变量, 就是因为它要做gc簿记来管理内存],  isC= 1 标示其是一个C闭包.

2. c->f = f绑定c函数.    ---------  闭包.功能抽象 = f

3. env = 当前闭包的env[这说明了被创建的闭包继承了创建它的闭包的环境].  ----------- 闭包.env = env

4. 把栈上的n个元素赋值到c->upvalue[]数组中, 顺序是越先入栈的值放在upvalue数组的越开始位置, c->nupvalues指定改闭包upvalue的个数.  ---------- 闭包.upvalue = upvalue

5. 弹出栈上n个元素, 并压入新建的Closure到栈顶.

整个流程是比较简单的, 分配内存, 填写属性, 链入gc监控, 绑定c函数, 绑定upvalue, 绑定env一个C闭包就ok了, 请结合上面给的闭包的解释, 很清楚了.

现在来解析这个C闭包被调用的过程[注意, 这里只涉及C闭包的调用]

lua 闭包调用信息结构:

struct CallInfo {
                 StkId base;  /* base for this function */     ---- 闭包调用的栈基
                 StkId func;  /* function index in the stack */  ---- 要调用的闭包在栈上的位置
                 StkId    top;  /* top for this function */     ---- 闭包的栈使用限制, 就是lua_push*的时候得看着点, push太多就超了, 可以lua_checkstack来扩
                 const Instruction *savedpc;      ---- 如果在本闭包中再次调用别的闭包, 那么该值就保存下一条指令以便在返回时继续执行
                 int nresults;  /* expected number of results from this function */   ---- 闭包要返回的值个数
                 int tailcalls;  /* number of tail calls lost under this entry */   ---- 尾递归用, 暂时不管
            }

从注释就可以看出来, 这个结构是比较简单的, 它的作用就是维护一个函数调用的有关信息, 其实和c函数调用的栈帧是一样的,
重要的信息base –> ebp, func –> 要调用的函数的栈index, savedpc –> eip, top,
nresults和tailcalls没有明显的对应.

在lua初始化的时候, 分配了一个CallInfo数组,
并用L->base_ci指向该数组第一个元素, 用L->end_ci指向该数组最后一个指针,
用L->size_ci记录数组当前的大小, L->ci记录的是当前被调用的闭包的调用信息.

下面讲解一个c闭包的调用的过程:

情景: c 函数 int lua_test(lua_State* L){

int a = lua_tonumber(L, 1);

int b = lua_tonumber(L, 2);

a = a + b;

lua_pushnumber(L, a);

}

已经注册到了lua 中, 形成了一个C闭包, 起名为"test", 下面去调用它

luaL_dostring(L, "c = test(3, 4)")

1. 首先, 我们把它翻译成对应的c api

1. 最初的堆栈

lua_getglobal(L, “test”)

lua_pushnumber(L, 3)

lua_pushnumber(L, 4)

2. 压入了函数和参数的堆栈

lua_call(L, 2, 1)

3. 调用lua_test开始时的堆栈

4. 调用结束的堆栈

lua_setglobal(L, “c”)

5. 取出调用结果的堆栈

我们重点想要知道的是lua_call函数的过程

1. lua的一致性在这里再一次的让人震撼, 不管是dostring, 还是dofile, 都会形成一个闭包, 也就是说, 闭包是lua中用来组织结构的基本构件, 这个特点使得lua中的结构具有一致性, 是一种简明而强大的概念.

2. 根据1， a = test(3, 4)其实是被组织成为一个闭包放在lua栈顶[方便期间, 给这个lua闭包起名为bb], 也就说dostring真正调用的是bb闭包, 然后bb闭包执行时才调用的是test

[保存当前信息到当前函数的CallInfo中]

3. 在调用test的时刻, L->ci记载着bb闭包的调用信息, 所以, 先把下一个要执行的指令放在L->ci->savedpc中, 以供从test返回后继续执行.

4. 取栈上的test C闭包 cl, 用 cl->isC == 1断定它的确是一个C闭包

[进入一个新的CallInfo, 布置堆栈]

5. 从L中新分配一个CallInfo ci来记录test的调用信息, 并把它的值设置到L->ci,
这表明一个新的函数调用开始了, 这里还要指定test在栈中的位置, L->base = ci->base =
ci->func+1, 注意, 这几个赋值很重要, 导致的堆栈状态由图2转化到图3, 从图中可以看出,
L->base指向了第一个参数, ci->base也指向了第一个参数, 所以在test中,
我们调用lua_gettop函数返回的值就是2， 因为在调用它的时候, 它的栈帧上只有2个元素, 实现了lua向c语言中传参数.

[调用实际的函数]

6. 安排好堆栈, 下面就是根据L->ci->func指向的栈上的闭包(及test的C闭包), 找到对应的cl->c->f, 并调用, 就进入了c函数lua_test

[获取返回值调整堆栈, 返回原来的CallInfo]

7. 根据lua_test的返回值, 把test闭包和参数弹出栈, 并把返回值压入并调整L->top

8. 恢复 L->base, L->ci 和 L->savedpc, 继续执行.

总结: 调用一个新的闭包时 1. 保存当前信息到当前函数的CallInfo中 2. 进入一个新的CallInfo, 布置堆栈  3. 调用实际的函数  4. 获取返回值调整堆栈, 返回原来的CallInfo

短短续续一共写了6个小时......... 先写到这里吧, 对了, 我是开始写blog不久, 而且表达能力有限, 大家如果要看的话取其精华, 舍弃糟粕吧:)