Lua FFI 实战

傷城~ 2022-03-17 00:26 269阅读 0赞

# May 19, 2013 #

## 由来 ##

[FFI][]库，是[LuaJIT][]中最重要的一个扩展库。它允许从纯Lua代码调用外部C函数，使用C数据结构。有了它，就不用再像`Lua`标准[math][]库一样，编写Lua扩展库。把开发者从开发Lua扩展C库（语言/功能绑定库）的繁重工作中释放出来。

## FFI简介 ##

FFI库，允许从纯Lua代码调用外部C函数，使用C数据结构。

FFI库最大限度的省去了使用C手工编写繁重的Lua/C绑定的需要。不需要学习一门独立/额外的绑定语言——它`解析普通C声明`。这样可以从C头文件或参考手册中，直接`剪切，粘贴`。它的任务就是`绑定很大的库，但不需要捣鼓脆弱的绑定生成器`。

FFI紧紧的整合进了LuaJIT（几乎不可能作为一个独立的模块）。JIT编译器为Lua代码直接访问C数据结构而产生的代码，等同于一个C编译器应该生产的代码。在JIT编译过的代码中，调用C函数，可以被`内连`处理，不同于基于Lua/C API函数调用。

这一页将简要介绍FFI库的使用方法。

## 激励范例：调用外部C函数 ##

真的很用容易去调用一个外部C库函数：

① local ffi = require("ffi") ② ffi.cdef[[  int printf(const char* fmt, ...);    ]]③ ffi.C.printf("Hello %s!", "world")

以上操作步骤，如下：

① 加载FFI库② 为函数增加一个函数声明。这个包含在`中括号`对之间的部分，是标准C语法。.③ 调用命名的C函数——非常简单

事实上，背后的实现远非如此简单：③ 使用标准C库的命名空间`ffi.C`。通过符号名("printf")索引这个命名空间，自动绑定标准C库。索引结果是一个特殊类型的对象，当被调用时，执行`printf`函数。传递给这个函数的参数，从Lua对象自动转换为相应的C类型。

Ok，使用`printf()`不是一个壮观的示例。你也可能使用了`io.write()`和`string.format()`。但你有这个想法…… 以下是一个[Windows][]平台弹出消息框的示例：

1.  local ffi =require("ffi")
2.  ffi.cdef\[\[
3.  intMessageBoxA(void\*w,constchar\*txt,constchar\*cap,int type);
4.  \]\]
5.  ffi.C.MessageBoxA(nil,"Hello world!","Test",0)

Bing! 再一次, 远非如此简单，不?

和要求使用Lua/C API去绑定函数的努力相比：

*  创建一个外部C文件，
 *  增加一个C函数，遍历和检查Lua传递的参数，并调用这个真实的函数，

**传统的处理方式**

*  增加一个模块函数列表和对应的名字，
 *  增加一个luaopen\_\*函数，并注册所有模块函数，
 *  编译并链接为一个动态库（DLL），
 *  并将库文件迁移到正确的路径，
 *  编写Lua代码，加载模块
 *  等等……
 *  最后调用绑定函数。

唷！（很不爽呀！）

## 激励示例: 使用C数据结构 ##

FFI库允许你创建，并访问C数据结构。当然，其主要应用是C函数接口。但，也可以独立使用。

Lua构建在高级数据类型之上。它们很灵活、可扩展，而且是动态的。这就是我们大家都喜欢Lua的原因所在。唉，针对特殊任务，你需要一个低级的数据结构时，这可能会低效。例如，一个超大的不同结构的数组，需要通过一张超大的表，存储非常多的小表来实现。这需要大量的内存开销以及性能开销。

这里是一个库的草图，操作一个彩图，以及一个基准。首先，朴素的Lua版本，如下：

1.  local floor = math.floor
2.  
3.  localfunction image\_ramp\_green(n)
4.  local img =\{\}
5.  local f =255/(n\-1)
6.  for i=1,n do
7.   img\[i\]=\{  red =0, green = floor((i\-1)\*f), blue =0, alpha =255\}
8.  end
9.  return img
10. end
11. 
12. localfunction image\_to\_grey(img, n)
13. for i=1,n do
14. local y = floor(0.3\*img\[i\].red \+0.59\*img\[i\].green \+0.11\*img\[i\].blue)
15.  img\[i\].red = y; img\[i\].green = y; img\[i\].blue = y
16. end
17. end
18. 
19. local N =400\*400
20. local img = image\_ramp\_green(N)
21. for i=1,1000do
22.  image\_to\_grey(img, N)
23. end

以上代码，创建一个160.000像素的一张表，其中每个元素是一张持有4个范围0至255的数字值的表。首先，创建了一张绿色斜坡的图（1D，为了简单化），然后进行1000次灰阶转换操作。实在很蠢蛋，可是我需要一个简单示例……

以下是FFI版本代码。其中，被修改的部分加粗标注：

① local ffi = require("ffi")ffi.cdef[[typedef struct { uint8_t red, green, blue, alpha; } rgba_pixel;]]② local function image_ramp_green(n)  local img = ffi.new("rgba_pixel[?]", n)  local f = 255/(n-1)③  for i=0,n-1 do④  img[i].green = i*f    img[i].alpha = 255  end  return imgendlocal function image_to_grey(img, n)③ for i=0,n-1 do⑤   local y = 0.3*img[i].red + 0.59*img[i].green + 0.11*img[i].blue    img[i].red = y; img[i].green = y; img[i].blue = y  endendlocal N = 400*400local img = image_ramp_green(N)for i=1,1000 do  image_to_grey(img, N)end

Ok, 这是不是太困难:

① 首先，加载FFI库，声明底层数据类型。这里我们选择一个数据结构，持有4字节字段，每一个由`4x8 RGBA`像素组成。

② 通过`ffi.new()`直接创建这个数据结构——其中'?'是一个占位符，`变长数组元素个数`。

③ C数据是基于0的（zero-based），所以索引必须是0 到 n-1。你可能需要分配更多的元素，而不仅简化转换一流代码。

④ 由于`ffi.new()`默认`0填充`（zero-fills）数组, 我们仅需要设置绿色和alpha字段。

⑤ 调用`math.floor()`的过程可以省略，因为转换为整数时，浮点数已经被向0截断。这个过程隐式的发生在数据被存储在每一个像素的字段时。

现在让我们看一下主要影响的变更：

首先，内存消耗从22M降到640K(400*400*4字节)。少了`35x`。所以，表确实有一个显著的开销。BTW（By the Way: 顺便说一句）: 原始Lua程序在x64平台应该消耗40M内存。

其次，性能：纯Lua版本运行耗时9.57秒（使用Lua解析器52.9秒），而FFI版本在我的主机上耗时0.48秒（YMMV: [因人而异][Link 1]）。快了`20x`（比Lua解析器快了110x\`）。

狂热的读者，可能注意到了为颜色将纯Lua代码版本转为使用数组索引（\[1\] 替换 .red, \[2\] 替换 .green 等）应该更加紧凑和更快。这个[千真万确][Link 2]（大约`1.7x`）。从结构切换到数组也会有帮助。

虽然最终的代码不是惯用的，而容易出错。它仍然没有得到甚至接近FFI版本代码的性能。同时，高级数据结构不容易传递给别的C函数，尤其是I/O函数，没有过分转换处罚。

待续

## 扩展阅读 ##

*  [LuaJit FFI Library][FFI]
 *  [Terra][]
 *  [LPEG: Parsing Expression Grammars For Lua, version 0.12][LPEG_ Parsing Expression Grammars For Lua_ version 0.12]
 *  [Lua中通过ffi调用c的结构体变量][Lua_ffi_c]
 *  [使用 luajit 的 ffi 绑定 zeromq][luajit _ ffi _ zeromq]
 *  [Playing with LuaJIT FFI][]
 *  [LuaJIT FFI 调用 Curl 示例][LuaJIT FFI _ Curl]
 *  [Lua String Templates][]
 *  [Standalone FFI library for calling C functions from lua][]
 *  [Lua游戏开发实践指南][Lua]
 *  [Lua程序设计:第2版][Lua_2]
 *  [Beginning Lua Programming][]

## 安装LuaJIT ##

mkdir -p ~/lua-ffi_in_action && cd ~/lua-ffi_in_actiongit clone http://luajit.org/git/luajit-2.0.gitcd luajit-2.0make && make install

## 祝大家玩的开心 ##

再分享一下我老师大神的人工智能教程吧。零基础！通俗易懂！风趣幽默！还带黄段子！希望你也加入到我们人工智能的队伍中来！[https://blog.csdn.net/jiangjunshow][https_blog.csdn.net_jiangjunshow]

[FFI]: http://luajit.org/ext_ffi.html
[LuaJIT]: http://luajit.org/
[math]: https://github.com/guiquanz/skynet_with_lua-5.2.2/blob/master/deps/lua-5.2.2/src/lmathlib.c
[Windows]: https://www.baidu.com/s?wd=Windows&tn=24004469_oem_dg&rsv_dl=gh_pl_sl_csd
[Link 1]: https://www.baidu.com/s?wd=%E5%9B%A0%E4%BA%BA%E8%80%8C%E5%BC%82&tn=24004469_oem_dg&rsv_dl=gh_pl_sl_csd
[Link 2]: https://www.baidu.com/s?wd=%E5%8D%83%E7%9C%9F%E4%B8%87%E7%A1%AE&tn=24004469_oem_dg&rsv_dl=gh_pl_sl_csd
[Terra]: http://terralang.org/getting-started.html
[LPEG_ Parsing Expression Grammars For Lua_ version 0.12]: http://www.inf.puc-rio.br/~roberto/lpeg/
[Lua_ffi_c]: http://seagg.github.io/blog/2012/12/24/lua-struct/
[luajit _ ffi _ zeromq]: http://blog.codingnow.com/2011/06/luajit_ffi_zeromq.html
[Playing with LuaJIT FFI]: http://develcuy.com/en/playing-luajit-ffi
[LuaJIT FFI _ Curl]: http://chenxiaoyu.org/2012/10/11/luajit-ffi-curl-example.html
[Lua String Templates]: https://github.com/weshoke/Lust
[Standalone FFI library for calling C functions from lua]: https://github.com/jmckaskill/luaffi
[Lua]: http://product.china-pub.com/3020698
[Lua_2]: http://product.china-pub.com/40562
[Beginning Lua Programming]: http://product.china-pub.com/2021989
[https_blog.csdn.net_jiangjunshow]: https://blog.csdn.net/jiangjunshow/article/details/77338485