lua全局状态机

本文内容基于版本：Lua 5.3.0

global_State概述

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

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

• 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

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：