C#跟Lua如何超高性能传递数据

前言

在UWA学堂上线那天，我买了招文勇这篇Lua交互的课程，19块还算值，但是前段时间太忙，一直没空研究，他的demo是基于xlua的，今天终于花了大半天时间在tolua下跑起来了，记录一下我的理解

性能，仍然是Lua中与C＃混用的大坑

Lua跟C#交互的性能问题是老生常谈的了，c#跟lua数据交互是通过lua虚拟栈，进行压栈、出栈来传递的，一次调用就需要执行很多指令，性能会随着调用次数的频繁，函数参数的增多而变差。直接操作内存的方式，可以在c#端修改lua内存，省去了操作虚拟栈，函数调用的大把指令，性能也就很高效了

腾讯的UnLua（给虚幻4用的）中也有类似的直接操作内存的交互方式，看来这种方式会渐渐成为主流，毕竟性能摆在这呢

Lua跟C#高效共享大量数据的一种方法

原理其实很简单，在c#端定义好lua table的结构体，必须在内存中对齐lua端的table，然后在c#端拿到lua table的指针，读写这块内存，就能读写这个lua table了。

是不是觉得非常简单，哈哈哈哈。感觉自己马上就能弄出来了

想要实现这套东西，还得搞懂几个问题，下面开始一一讲解

Lua Table结构体是什么样的？

想在c#端写一个lua table结构体，那就先看看lua端这个结构体是怎么实现的吧。在tolua下，我们使用的是luajit，jit的源码跟lua是不一样的，luajit又分32位跟64位。所以我们这个table结构体也需要做多套才行

luajit中的GCTab就是Table的结构体了

typedef struct GCtab {
  GCHeader;
  uint8_t nomm;		/* Negative cache for fast metamethods. */
  int8_t colo;		/* Array colocation. */
  MRef array;		/* Array part. */
  GCRef gclist;
  GCRef metatable;	/* Must be at same offset in GCudata. */
  MRef node;		/* Hash part. */
  uint32_t asize;	/* Size of array part (keys [0, asize-1]). */
  uint32_t hmask;	/* Hash part mask (size of hash part - 1). */
#if LJ_GC64
  MRef freetop;		/* Top of free elements. */
#endif
} GCtab;

GCHeader是每一个GC对象都要包含的一个宏，定义了这些属性

#define GCHeader	GCRef nextgc; uint8_t marked; uint8_t gct

lua的table支持数组、哈希表两种用法，甚至可以同时是数组又是哈希表。我们主要处理数组的数据交互，结构体中的MRef array;就是这个table的所有数据存储的地方了，而asize就等于这个数组的长度+1。所以我们重点关注这2个字段的内存地址

如何设计c#端的table结构体呢？

我们把GCTab结构体展开成这样看

GCRef nextgc;
uint8_t marked; uint8_t gct; uint8_t nomm; int8_t colo;
MRef array;
GCRef gclist;
GCRef metatable;
MRef node;
uint32_t asize;
uint32_t hmask;
MRef freetop;//这个是64位的才会有

GCRef 跟 MRef 都是一个jit中封装的指针类型，会自动根据宏展开为32位跟64位。

GCRef 表示这是一个GC对象的指针

MRef 表示非GC对象的内存指针

在c#中都可以用IntPtr类型代替

uint8_t 是8字节的，我们把4个8字节的放在一起，可以用一个int32位占用

那么转换到c#中，结构体就变成了这样

// GC64 version
public struct LuaJitGCtabGC64
{
    IntPtr nextgc;

    UInt32 masks;

    IntPtr array;

    IntPtr gclist;

    IntPtr metatable;

    IntPtr node;

    UInt32 asize;

    UInt32 hmask;

    IntPtr freetop; // only valid for LJ_GC64
}

指针array指向的数据是什么？

在lj_tab.c中看tab的实现，我们很快就能找到array里存的是TValue结构，TValue其实是一个联合体。

联合体是多个结构体可以共享同一块内存，访问的时候可以用不同的结构体方式去访问。具体什么是联合体可以自行百度哦

TValue源码

/* Tagged value. */
typedef LJ_ALIGN(8) union TValue {
  uint64_t u64;		/* 64 bit pattern overlaps number. */
  lua_Number n;		/* Number object overlaps split tag/value object. */
#if LJ_GC64
  GCRef gcr;		/* GCobj reference with tag. */
  int64_t it64;
  struct {
    LJ_ENDIAN_LOHI(
      int32_t i;	/* Integer value. */
    , uint32_t it;	/* Internal object tag. Must overlap MSW of number. */
    )
  };
#else
  struct {
    LJ_ENDIAN_LOHI(
      union {
	GCRef gcr;	/* GCobj reference (if any). */
	int32_t i;	/* Integer value. */
      };
    , uint32_t it;	/* Internal object tag. Must overlap MSW of number. */
    )
  };
#endif
#if LJ_FR2
  int64_t ftsz;		/* Frame type and size of previous frame, or PC. */
#else
  struct {
    LJ_ENDIAN_LOHI(
      GCRef func;	/* Function for next frame (or dummy L). */
    , FrameLink tp;	/* Link to previous frame. */
    )
  } fr;
#endif
  struct {
    LJ_ENDIAN_LOHI(
      uint32_t lo;	/* Lower 32 bits of number. */
    , uint32_t hi;	/* Upper 32 bits of number. */
    )
  } u32;
} TValue;

这中间有很多宏，看着很乱，但其实我们只需要用2种模式就行了，因为我们只实现int跟double。作者给出的方式是如下这种

[StructLayout(LayoutKind.Explicit, Size = 8)]
public struct LuaJitTValue
{
    // uint64
    [FieldOffset(0)]
    public UInt64 u64;

    // number
    [FieldOffset(0)]
    public double n;

    // integer value
    [FieldOffset(0)]
    public int i;

    // internal object tag for GC64
    [FieldOffset(0)]
    public Int64 it64;

    // internal object tag
    [FieldOffset(4)]
    public UInt32 it;
}

但这里我有一些我还没弄明白，因为我实际运行起来后，不管lua赋值的是整形，还是浮点，int i始终没有值，值都存在了double n中。那为啥作者要弄一个int i跟UInt32 it; 这个it还偏移了4字节

在c#端我们可以使用[StructLayout(LayoutKind.Explicit)]和[FieldOffset(0)]来实现c语言中的联合体，具体方式可以看这篇文章

https://blog.csdn.net/wonengxing/article/details/44302661

如何用unsafe模式读写结构体?

结构体都定义好了，接下来我们看看怎么读写一个double

LuaJitGCtab32* TableRawPtr; //需要拿到Lua端Table的指针

 //赋值操作
TableRawPtr->array[index].n = val;
//取值操作
TableRawPtr->array[index].n;

没错，就是这么简单。直接就可以操作lua内存了。

如何拿到lua端table的指针?

在lua端传入一个table参数过来，我们可以在c#端操作虚拟栈转成指针

System.IntPtr arg0 = LuaDLL.lua_topointer(L, 1);

看到这里，相信大部分的谜团都已经解开了，真的自己可以实现一套出来了。

总结

作者提供的方案里，只支持int、double。只支持array类型的table。还有luajit64位貌似没支持好。所以如果真正要使用的话，还要改很多东西