Lua的底层原理与C#交互原理浅析【更新中】

目录

lua底层原理浅析

table底层原理浅析

Lua表的C语言定义

原理和实现

userdata

lua和C#的交互机制（更新中）

基本介绍

Lua 与 C/C++ 的数据交互

Lua 调用 C/C++ 函数

C/C++ 调用 Lua 函数

基元类型传递

对象类型传递

Lua 调用 C#

总结

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网上有很多文章写和C#的交互原理，但大多比较复杂，截止到目前为止笔者也只是了解了其中的一部分，目前还在边学边做笔记的阶段，所以说是浅析，后续会做更深入的研究。

lua底层原理浅析

Lua的底层实现是基于C语言，这使得它非常轻量级且高效，同时具有很好的跨平台特性。

1. 虚拟机（VM）：

   • Lua使用基于寄存器的虚拟机来执行编译后的字节码。这与基于堆栈的虚拟机相比，可以减少指令数量和执行时间。
   • Lua的字节码是平台无关的，这意味着在一台机器上编译的Lua代码可以在任何其他平台上运行，只要那里有Lua虚拟机。

2. 解释器和编译器：

   • Lua源代码首先被一个解释器读取，解释器是用C语言编写的。
   • 源代码被解析成抽象语法树（AST），然后转换成中间表示，最终编译为字节码。

3. 内存管理：

   • Lua使用自动垃圾回收机制来管理内存。它主要使用标记-清扫（mark-and-sweep）算法来回收不再使用的内存。

垃圾回收部分具体可以看我的另外一篇文章

Lua的垃圾回收机制详解-CSDN博客

table底层原理浅析

Lua的表（table）是其最强大的特性之一，它们是动态的关联数组，可以用作普通数组、字典、对象等。在C语言中，Lua的表是通过一种复杂的数据结构实现的，这种结构使得表既能高效地存储和访问序列元素，也能高效地处理散列键值对。

Lua表的C语言定义

在Lua的C源码中，表是通过struct定义的，主要是Table结构。这个结构包括指向数组部分和散列部分的指针，以及这些部分的大小等信息。核心结构大致如下（简化版本，用于说明）：

typedef struct lua_Table {
  CommonHeader;
  lu_byte flags;  /* 一些标志位 */
  lu_byte lsizenode;  /* 散列表部分的大小 */
  unsigned int sizearray;  /* 数组部分的大小 */
  TValue *array;  /* 数组部分的指针 */
  Node *node;    /* 散列表部分的指针 */
  Node *lastfree;  /* 散列表的一个自由位置 */
  struct Table *metatable;  /* 元表 */
  GCObject *gclist;
} Table;

原理和实现

Lua表的实现基于以下原理：

1. 双重结构：

   • Lua表由两部分组成：一个数组（Array）部分和一个散列（Hash）部分。
   • 数组部分用于存储以数字为键的元素，而散列部分用于存储其他类型的键值对。

2. 动态调整：

   • 当你向表中添加或移除元素时，Lua会动态调整这两部分的大小和存储方式，以保持操作的高效性。
   • 例如，如果你主要使用数字键，Lua会倾向于扩展数组部分，而减少散列部分。

3. 散列算法：

   • 对于非数字键，Lua使用散列算法来快速定位和存储键值对。
   • Lua的散列算法旨在减少冲突并快速处理查找、插入和删除操作。

4. 数组和散列表的动态重分配：

   • Lua会根据表的使用情况动态地重分配内部数组和散列结构，以优化内存使用和访问速度。

5. 元表支持：

   • Lua表还可以有一个元表（metatable），用于定义该表的特殊行为，比如操作符重载或自定义访问方式。

userdata

在Lua编程语言中，userdata 是一种特殊的数据类型，用于表示任何由应用程序或者C语言代码创建的数据对象。userdata 提供了一种将C中的数据和对象暴露给Lua代码的方式，同时保持类型安全和内存管理的控制。

userdata 在Lua中主要有两种形式：

1. 全用户数据（Full userdata）：

   • 这是一个指向C数据的指针，Lua只负责存储和传递这个指针，不尝试理解或操作其指向的数据。
   • 它是一个黑盒，Lua不知道其内部结构，只是简单地通过指针来引用它。
   • Lua负责管理这些对象的内存生命周期，通常是通过垃圾回收机制。

2. 轻量用户数据（Light userdata）：

   • 这也是一个指针，但Lua不管理其指向的内存。
   • 轻量用户数据相当于一个裸指针，其生命周期由外部代码控制。
   • 它适用于表示轻量级的、生命周期由应用程序控制的对象。

userdata 的主要用途包括：

• 将C中的对象传递到Lua代码，使得Lua代码可以间接地操作这些对象。
• 在C和Lua之间共享数据，尤其是当需要在Lua脚本中操作C语言中创建的复杂数据结构时。
• 实现C和Lua之间的接口调用，尤其是在嵌入Lua到C/C++应用程序时。

使用 userdata 时，通常会配合元表（metatable）来提供对象的方法和属性，这样Lua代码就可以像操作普通的Lua对象那样操作C中的数据。这是实现面向对象编程风格的一种常用手段，特别是在Lua绑定到C/C++库的上下文中。

lua和C#的交互机制（更新中）

参考文章：

C#与XLua交互原理 - 知乎 (zhihu.com)

基本介绍

• Lua 虚拟机：Lua 是由 C/C++ 实现的，因此它可以直接与宿主程序（如Unity）进行通信。
• C# 与 Lua 交互：C# 通过 P/Invoke（平台调用）方式调用 Lua 虚拟机函数。这意味着 C# 可以通过 C/C++ 层与 Lua 进行数据交互。
• xLua 中的 P/Invoke：xLua 提供的 P/Invoke 调用接口主要在 LuaDLL.cs 文件中。

Lua 与 C/C++ 的数据交互

• 虚拟栈：Lua 提供了一个虚拟栈用于数据交换。所有类型的数据交换都通过这个栈完成。
• 栈索引：Lua 有两种索引方式操作虚拟栈 — 正数索引（1表示栈底）和反向索引（-1表示栈顶）。

Lua 调用 C/C++ 函数

1. 包装函数：将C++函数包装成可供Lua调用的格式，通常是接收一个Lua状态机指针的静态方法。
2. 注册函数：在Lua环境中注册这些包装好的函数。
3. 调用过程：Lua调用时，通过Lua栈获取参数，执行函数，然后将结果压栈返回。

C/C++ 调用 Lua 函数

1. 获取函数：使用 lua_getglobal 获取Lua函数，并将其压入栈。
2. 压栈参数：将函数的参数压入栈。
3. 执行函数：调用 lua_pcall 执行函数。
4. 处理结果：如果无误，从Lua虚拟栈中取出结果。

基元类型传递

• 直接通过 C API 传递，如 lua_pushboolean, lua_pushnumber 等。

对象类型传递

• 过程：C# 对象在Lua中通过表（table）模拟，传递的是索引，同时需要将C#类型信息注册到Lua。
• userdata：C# 对象在 Lua 中对应的是一个 userdata，用于保持与C#对象的联系。
• 元表：为 userdata 设置的元表包含了对象的类型信息，如成员方法、属性等。

Lua 调用 C#

• Lua 通过调用 C# 包装好的静态方法来实现调用，这些方法转换Lua的调用为C#函数的调用。
• 使用元表信息来确定要调用的C#方法和属性。
• 函数通过Lua的栈接收参数，参数按顺序入栈。

总结

在 Unity 中，xLua 框架通过 C API 层实现 C# 和 Lua 的交互。Lua 和 C# 之间的调用主要是通过虚拟栈来传递数据和参数。C# 对象在Lua中通过 userdata 表示，而 C# 与 Lua 的函数调用则是通过预先包装好的静态方法来实现。这个过程涉及多个层面的数据转换和类型匹配，但最终实现了两种语言间高效的互操作性。