lua 堆栈

Myth丶恋晨 2022-09-21 13:19 216阅读 0赞

**一、Lua堆栈**

要理解Lua和C++交互，首先要理解Lua堆栈。

简单来说，Lua和C/C++语言通信的主要方法是一个无处不在的虚拟栈。栈的特点是先进后出。

在Lua中，Lua堆栈就是一个struct，**堆栈索引的方式可是是正数也可以是负数，区别是：正数索引1永远表示栈底，负数索引-1永远表示栈顶。**如图：

![181408530576061.png][]

lua的栈类似于以下的定义, 它是在创建lua\_State的时候创建的:

TValue stack\[max\_stack\_len\]  // 欲知内情可以查 lstate.c 的stack\_init函数

存入栈的数据类型包括数值, 字符串, 指针, talbe, 闭包等, 下面是一个栈的例子:

![261204396787252.png][]

执行下面的代码就可以让你的lua栈上呈现图中的情况

lua\_pushcclosure(L, func, 0) // 创建并压入一个闭包

lua\_createtable(L, 0, 0)        // 新建并压入一个表

lua\_pushnumber(L, 343)      // 压入一个数字

lua\_pushstring(L, “mystr”)   // 压入一个字符串

这里要说明的是, 你压入的类型有数值, 字符串, 表和闭包\[在c中看来是不同类型的值\], 但是最后都是统一用TValue这种数据结构来保存的:), 下面用图简单的说明一下这种数据结构:

![261204244742141.jpg][]

TValue结构对应于lua中的所有数据类型, 是一个**\{值, 类型\} 结构, 这就lua中动态类型的实现, 它把值和类型绑在一起**, 用tt记录value的类型, value是一个联合结构, 由Value定义, 可以看到这个联合有四个域, 先说明简单的

p -- 可以存一个指针, 实际上是lua中的light userdata结构

n -- 所有的数值存在这里, 不过是int , 还是float

b -- Boolean值存在这里, 注意, lua\_pushinteger不是存在这里, 而是存在n中, b只存布尔

gc -- 其他诸如table, thread, closure, string需要内存管理垃圾回收的类型都存在这里

gc是一个指针, 它可以指向的类型由联合体GCObject定义, 从图中可以看出, 有string, userdata, closure, table, proto, upvalue, thread

从下面的图可以的得出如下结论:

**        1. lua中, number, boolean, nil, light userdata四种类型的值是直接存在栈上元素里的, 和垃圾回收无关.**

**        2. lua中, string, table, closure, userdata, thread存在栈上元素里的只是指针, 他们都会在生命周期结束后被垃圾回收.**

**二、堆栈的操作**

因为Lua与C/C++是通过栈来通信，Lua提供了C API对栈进行操作。

我们先来看一个最简单的例子：

![复制代码][copycode.gif]

#include <iostream>  
    #include <string.h>  
    using namespace std;  
       
    extern "C"  
    {  
        #include "lua.h"  
        #include "lauxlib.h"  
        #include "lualib.h"  
    }  
    void main()  
    {  
        //1.创建一个state  
        lua_State *L = luaL_newstate();  
           
        //2.入栈操作  
        lua_pushstring(L, "I am so cool~");   
        lua_pushnumber(L,20);  
       
        //3.取值操作  
        if( lua_isstring(L,1)){             //判断是否可以转为string  
            cout<<lua_tostring(L,1)<<endl;  //转为string并返回  
        }  
        if( lua_isnumber(L,2)){  
            cout<<lua_tonumber(L,2)<<endl;  
        }  
       
        //4.关闭state  
        lua_close(L);  
        return ;  
    }

![复制代码][copycode.gif]

可以简单理解为luaL\_newstate返回一个指向堆栈的指针，其它看注释应该能懂了吧。

其他一些栈操作：

![复制代码][copycode.gif]

int   lua_gettop (lua_State *L);            //返回栈顶索引（即栈长度）  
    void  lua_settop (lua_State *L, int idx);   //                
    void  lua_pushvalue (lua_State *L, int idx);//将idx索引上的值的副本压入栈顶  
    void  lua_remove (lua_State *L, int idx);   //移除idx索引上的值  
    void  lua_insert (lua_State *L, int idx);   //弹出栈顶元素，并插入索引idx位置  
    void  lua_replace (lua_State *L, int idx);  //弹出栈顶元素，并替换索引idx位置的值

![复制代码][copycode.gif]

ua\_settop将栈顶设置为一个指定的位置，即修改栈中元素的数量。如果值比原栈顶高，则高的部分nil补足，如果值比原栈低，则原栈高出的部分舍弃。所以**可以用lua\_settop(0)来清空栈**。

**三、C++调用Lua**

我们经常可以使用Lua文件来作配置文件。类似ini，xml等文件配置信息。现在我们来使用C++来读取Lua文件中的变量，table，函数。

lua和c通信时有这样的约定: 所有的lua中的值由lua来管理, c++中产生的值lua不知道, 类似表达了这样一种意思: "**如果你(c/c++)想要什么, 你告诉我(lua), 我来产生, 然后放到栈上, 你只能通过api来操作这个值, 我只管我的世界**", 这个很重要, 因为:

"如果你想要什么, 你告诉我, 我来产生"就可以保证, 凡是lua中的变量, lua要负责这些变量的生命周期和垃圾回收, 所以, 必须由lua来创建这些值(**在创建时就加入了生命周期管理要用到的簿记信息**)

"然后放到栈上, 你只能通过api来操作这个值", lua api给c提供了一套完备的操作界面, 这个就相当于约定的**通信协议**, 如果lua客户使用这个操作界面, 那么lua本身不会出现任何"意料之外"的错误.

"我只管我的世界"这句话体现了lua和c/c++作为两个不同系统的分界, c/c++中的值, lua是不知道的, lua只负责它的世界

现在有这样一个hello.lua 文件：

str = "I am so cool"  
    tbl = {name = "shun", id = 20114442}  
    function add(a,b)  
        return a + b  
    end

我们写一个test.cpp来读取它：

![复制代码][copycode.gif]

#include <iostream>  
    #include <string.h>  
    using namespace std;  
       
    extern "C"  
    {  
        #include "lua.h"  
        #include "lauxlib.h"  
        #include "lualib.h"  
    }  
    void main()  
    {  
        //1.创建Lua状态  
        lua_State *L = luaL_newstate();  
        if (L == NULL)  
        {  
            return ;  
        }  
       
        //2.加载Lua文件  
        int bRet = luaL_loadfile(L,"hello.lua");  
        if(bRet)  
        {  
            cout<<"load file error"<<endl;  
            return ;  
        }  
       
        //3.运行Lua文件  
        bRet = lua_pcall(L,0,0,0);  
        if(bRet)  
        {  
            cout<<"pcall error"<<endl;  
            return ;  
        }  
       
        //4.读取变量  
        lua_getglobal(L,"str");  
        string str = lua_tostring(L,-1);  
        cout<<"str = "<<str.c_str()<<endl;        //str = I am so cool~  
       
        //5.读取table  
        lua_getglobal(L,"tbl");   
        lua_getfield(L,-1,"name");  
        str = lua_tostring(L,-1);  
        cout<<"tbl:name = "<<str.c_str()<<endl; //tbl:name = shun  
       
        //6.读取函数  
        lua_getglobal(L, "add");        // 获取函数，压入栈中  
        lua_pushnumber(L, 10);          // 压入第一个参数  
        lua_pushnumber(L, 20);          // 压入第二个参数  
        int iRet= lua_pcall(L, 2, 1, 0);// 调用函数，调用完成以后，会将返回值压入栈中，2表示参数个数，1表示返回结果个数。  
        if (iRet)                       // 调用出错  
        {  
            const char *pErrorMsg = lua_tostring(L, -1);  
            cout << pErrorMsg << endl;  
            lua_close(L);  
            return ;  
        }  
        if (lua_isnumber(L, -1))        //取值输出  
        {  
            double fValue = lua_tonumber(L, -1);  
            cout << "Result is " << fValue << endl;  
        }  
       
        //至此，栈中的情况是：  
        //=================== 栈顶 ===================   
        //  索引  类型      值  
        //   4   int：      30   
        //   3   string：   shun   
        //   2   table:     tbl  
        //   1   string:    I am so cool~  
        //=================== 栈底 ===================   
       
        //7.关闭state  
        lua_close(L);  
        return ;  
    }

![复制代码][copycode.gif]

知道怎么读取后，我们来看下如何修改上面代码中table的值：

// 将需要设置的值设置到栈中  
    lua_pushstring(L, "我是一个大帅锅～");  
    // 将这个值设置到table中（此时tbl在栈的位置为2）  
    lua_setfield(L, 2, "name");

我们还可以新建一个table：

// 创建一个新的table，并压入栈  
    lua_newtable(L);  
    // 往table中设置值  
    lua_pushstring(L, "Give me a girl friend !"); //将值压入栈  
    lua_setfield(L, -2, "str"); //将值设置到table中，并将Give me a girl friend 出栈

**需要注意的是：堆栈操作是基于栈顶的，就是说它只会去操作栈顶的值。**

举个比较简单的例子，函数调用流程是先将函数入栈，参数入栈，然后用lua\_pcall调用函数，此时栈顶为参数，栈底为函数，所以栈过程大致会是：参数出栈->保存参数->参数出栈->保存参数->函数出栈->调用函数->返回结果入栈。

类似的还有lua\_setfield，设置一个表的值，肯定要先将值出栈，保存，再去找表的位置。

再不理解可看如下例子：

![复制代码][copycode.gif]

lua_getglobal(L, "add");        // 获取函数，压入栈中  
    lua_pushnumber(L, 10);          // 压入第一个参数  
    lua_pushnumber(L, 20);          // 压入第二个参数  
    int iRet= lua_pcall(L, 2, 1, 0);// 将2个参数出栈，函数出栈，压入函数返回结果  
    lua_pushstring(L, "我是一个大帅锅～");  //   
    lua_setfield(L, 2, "name");             // 会将"我是一个大帅锅～"出栈

![复制代码][copycode.gif]

另外补充一下：

**lua\_getglobal(L,"var")**会执行两步操作：1.将var放入栈中，2.由Lua去寻找变量var的值，并将变量var的值返回栈顶（替换var）。

**lua\_getfield(L,-1,"name")**的作用等价于 lua\_pushstring(L,"name") + lua\_gettable(L,-2)

lua value 和 c value的对应关系

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; c</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; lua</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; nil</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 无</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=0, tt = t_nil}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; boolean</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int&nbsp; 非0, 0</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=非0/0， tt = t_boolean}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; number</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; int/float等&nbsp;&nbsp; 1.5</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=1.5, tt = t_number}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp; lightuserdata</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; void*, int*, 各种*&nbsp; point</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=point, tt = t_lightuserdata}</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; string</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; char&nbsp; str[]</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=gco, tt = t_string}&nbsp;&nbsp; gco=TString obj</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; table</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 无</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=gco, tt = t_table}&nbsp; gco=Table obj</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; userdata</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 无</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=gco, tt = t_udata} gco=Udata obj</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; closure</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; 无</td> 
   <td>&nbsp;&nbsp; {value=gco, tt = t_function} gco=Closure obj</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

可以看出来, lua中提供的一些类型和c中是对应的, 也提供一些c中没有的类型. 其中有一些药特别的说明一下:

nil值, c中没有对应, 但是可以通过lua\_pushnil向lua中压入一个nil值

注意: **lua\_push\*族函数都有"创建一个类型的值并压入"的语义, 因为lua中所有的变量都是lua中创建并保存的**, 对于那些和c中有对应关系的lua类型, lua会通过api传来的附加参数, 创建出对应类型的lua变量放在栈顶, 对于c中没有对应类型的lua类型, lua直接创建出对应变量放在栈顶.

例如:    lua\_pushstring(L, “string”) lua根据"string"创建一个 TString obj, 绑定到新分配的栈顶元素上

lua\_pushcclosure(L,func, 0) lua根据func创建一个 Closure obj, 绑定到新分配的栈顶元素上

lua\_pushnumber(L,5) lua直接修改新分配的栈顶元素, 将5赋值到对应的域

lua\_createtable(L,0, 0)lua创建一个Tabke obj, 绑定到新分配的栈顶元素上

总之, 这是一个 **c value –> lua value的流向, 不管是想把一个简单的5放入lua的世界, 还是创建一个table, 都会导致**

**                  1. 栈顶新分配元素    2. 绑定或赋值**

**                还是为了重复一句话, 一个c value入栈就是进入了lua的世界, lua会生成一个对应的结构并管理起来, 从此就不再依赖这个c value**

lua value –> c value时, 是通过 lua\_to\* 族api实现, 很简单, 取出对应的c中的域的值就行了, 只能转化那些c中有对应值的lua value, 比如table就不能to c value, 所以api中夜没有提供 lua\_totable这样的接口.

**四、Lua调用C++**

我们分三个方法实现它。

**方法一：直接将模块写入Lua源码中**

在Lua中调用C/C++，我们可以将函数写lua.c中，然后重新编译Lua文件。

编译好后是这样子的：（如图）

![181411077295504.png][]

然后我们可以在lua.c中加入我们自己的函数。函数要遵循规范（可在lua.h中查看）如下：

typedef int (*lua_CFunction) (lua_State *L);

换句话说，所有的函数必须接收一个lua\_State作为参数，同时返回一个整数值。因为这个函数使用Lua栈作为参数，所以它可以从栈里面读取任意数量和任意类型的参数。而这个函数的返回值则表示函数返回时有多少返回值被压入Lua栈。（因为Lua的函数是可以返回多个值的）

然后我们在lua.c中加入如下函数：

![复制代码][copycode.gif]

// This is my function  
    static int getTwoVar(lua_State *L)  
    {  
        // 向函数栈中压入2个值  
        lua_pushnumber(L, 10);  
        lua_pushstring(L,"hello");  
       
        return 2;  
    }  
     
    在pmain函数中，luaL_openlibs函数后加入以下代码：
    //注册函数  
    lua_pushcfunction(L, getTwoVar); //将函数放入栈中  
    lua_setglobal(L, "getTwoVar");   //设置lua全局变量getTwoVar

![复制代码][copycode.gif]

通过查找lua.h

/#define lua_register(L,n,f) (lua_pushcfunction(L, (f)), lua_setglobal(L, (n)))

我们发现之前的注册函数可以这样子写：

lua_register(L,"getTwoVar",getTwoVar);

运行，结果如图：

![181412285725935.png][]

当然，一般我们不建议去修改别人的代码，更倾向于自己编写独立的C/C++模块，供Lua调用，下面来讲讲如何实现。

**方法二：使用静态依赖的方式**

1. 新建一个空的win32控制台工程，记得在vc++目录中，把lua中的头文件和lib文件的目录包含进来，然后->链接器->附加依赖项->将lua51.lib和lua5.1.lib也包含进来。

2. 在目录下新建一个avg.lua如下：

avg, sum = average(10, 20, 30, 40, 50)  
    print("The average is ", avg)  
    print("The sum is ", sum)

3.新建test.cpp如下：

![复制代码][copycode.gif]

#include <stdio.h>  
    extern "C" {  
    #include "lua.h"  
    #include "lualib.h"  
    #include "lauxlib.h"  
    }  
       
    /* 指向Lua解释器的指针 */  
    lua_State* L;  
    static int average(lua_State *L)  
    {  
        /* 得到参数个数 */  
        int n = lua_gettop(L);  
        double sum = 0;  
        int i;  
       
        /* 循环求参数之和 */  
        for (i = 1; i <= n; i++)  
        {  
            /* 求和 */  
            sum += lua_tonumber(L, i);  
        }  
        /* 压入平均值 */  
        lua_pushnumber(L, sum / n);  
        /* 压入和 */  
        lua_pushnumber(L, sum);  
        /* 返回返回值的个数 */  
        return 2;  
    }  
       
    int main ( int argc, char *argv[] )  
    {  
        /* 初始化Lua */  
        L = lua_open();  
       
        /* 载入Lua基本库 */  
        luaL_openlibs(L);  
        /* 注册函数 */  
        lua_register(L, "average", average);  
        /* 运行脚本 */  
        luaL_dofile(L, "avg.lua");  
        /* 清除Lua */  
        lua_close(L);  
       
        /* 暂停 */  
        printf( "Press enter to exit…" );  
        getchar();  
        return 0;  
    }

![复制代码][copycode.gif]

执行一下，我们可以得到结果：

![181413137915684.png][]

**大概顺序就是：我们在C++中写一个模块函数，将函数注册到Lua解释器中，然后由C++去执行我们的Lua文件，然后在Lua中调用刚刚注册的函数。**

看上去很别扭啊有木有。接下来介绍一下dll调用方式。

**方法三：使用dll动态链接的方式**

我们先新建一个dll工程，工程名为mLualib。（因此最后导出的dll也为mLualib.dll）

然后编写我们的c++模块，以函数为例，我们先新建一个.h文件和.cpp文件。

h文件如下：（如果你不是很能明白头文件的内容，点击这里：http://blog.csdn.net/shun\_fzll/article/details/39078971。）

![复制代码][copycode.gif]

#pragma once  
    extern "C" {  
    #include "lua.h"  
    #include "lualib.h"  
    #include "lauxlib.h"  
    }  
       
    #ifdef LUA_EXPORTS  
    #define LUA_API __declspec(dllexport)  
    #else  
    #define LUA_API __declspec(dllimport)  
    #endif  
       
    extern "C" LUA_API int luaopen_mLualib(lua_State *L);//定义导出函数

![复制代码][copycode.gif]

.cpp文件如下：

![复制代码][copycode.gif]

#include <stdio.h>  
    #include "mLualib.h"  
    static int averageFunc(lua_State *L)  
    {  
        int n = lua_gettop(L);  
        double sum = 0;  
        int i;  
       
        /* 循环求参数之和 */  
        for (i = 1; i <= n; i++)  
            sum += lua_tonumber(L, i);  
       
        lua_pushnumber(L, sum / n);     //压入平均值  
        lua_pushnumber(L, sum);         //压入和  
       
        return 2;                       //返回两个结果  
    }  
       
    static int sayHelloFunc(lua_State* L)  
    {  
        printf("hello world!");  
        return 0;  
    }  
       
    static const struct luaL_Reg myLib[] =   
    {  
        {
       "average", averageFunc},  
        {
       "sayHello", sayHelloFunc},  
        {NULL, NULL}       //数组中最后一对必须是{NULL, NULL}，用来表示结束      
    };  
       
    int luaopen_mLualib(lua_State *L)  
    {  
        luaL_register(L, "ss", myLib);  
        return 1;       // 把myLib表压入了栈中，所以就需要返回1  
    }

![复制代码][copycode.gif]

不理解没关系，我们先编译它，然后新建一个lua文件，在lua中我们这样子来调用：（调用之前记得把dll文件复制到lua文件目录下）

require "mLualib"  
    local ave,sum = ss.average(1,2,3,4,5)//参数对应堆栈中的数据  
    print(ave,sum)  -- 3 15  
    ss.sayHello()   -- hello world!

成功调用了有木有？我们看到了输出信息。

至此都发生了什么呢？梳理一下：

1.我们编写了averageFunc求平均值和sayHelloFunc函数，

2.然后把函数封装myLib数组里面，类型必须是luaL\_Reg

3.由luaopen\_mLualib函数导出并在lua中注册这两个函数。

那么为什么要这样子写呢？实际上当我们在Lua中：

require "mLualib"

这样子写的时候，Lua会这么干：

local path = "mLualib.dll"    
    local f = package.loadlib(path,"luaopen_mLualib")   -- 返回luaopen_mLualib函数  
    f()                                                 -- 执行

所以当我们在编写一个这样的模块的时候，编写luaopen\_xxx导出函数的时候，xxx最好是和项目名一样（因为项目名和dll一样）。

需要注意的是：函数参数里的lua\_State是私有的，每一个函数都有自己的栈。当一个C/C++函数把返回值压入Lua栈以后，该栈会自动被清空。

**五、总结 **

*  Lua和C++是通过一个虚拟栈来交互的。
 *  C++调用Lua实际上是：由C++先把数据放入栈中，由Lua去栈中取数据，然后返回数据对应的值到栈顶，再由栈顶返回C++。
 *  Lua调C++也一样：先编写自己的C模块，然后注册函数到Lua解释器中，然后由Lua去调用这个模块的函数。

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