如何进行gopher-lua虚拟机的原理分析

这篇文章将为大家详细讲解有关如何进行gopher-lua虚拟机的原理分析，文章内容质量较高，因此小编分享给大家做个参考，希望大家阅读完这篇文章后对相关知识有一定的了解。

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在 GitHub 玩耍时，偶然发现了gopher-lua ，这是一个纯 Golang 实现的 Lua 虚拟机。我们知道 Golang 是静态语言，而 Lua 是动态语言，Golang 的性能和效率各语言中表现得非常不错，但在动态能力上，肯定是无法与 Lua 相比。那么如果我们能够将二者结合起来，就能综合二者各自的长处了（手动滑稽。

在项目 Wiki 中，我们可以知道 gopher-lua 的执行效率和性能仅比 C 实现的 bindings 差。因此从性能方面考虑，这应该是一款非常不错的虚拟机方案。

Hello World

这里给出了一个简单的 Hello World 程序。我们先是新建了一个虚拟机，随后对其进行了 DoString(...) 解释执行 lua 代码的操作，最后将虚拟机关闭。执行程序，我们将在命令行看到 "Hello World" 的字符串。

package main  import (      "github.com/yuin/gopher-lua"  )  func main() {      l := lua.NewState()      defer l.Close()      if err := l.DoString(`print("Hello World")`); err != nil {          panic(err)      }  }  // Hello World

提前编译

在查看上述 DoString(...) 方法的调用链后，我们发现每执行一次 DoString(...) 或 DoFile(...) ，都会各执行一次 parse 和 compile 。

func (ls *LState) DoString(source string) error {      if fn, err := ls.LoadString(source); err != nil {          return err      } else {          ls.Push(fn)          return ls.PCall(0, MultRet, nil)      }  }  func (ls *LState) LoadString(source string) (*LFunction, error) {      return ls.Load(strings.NewReader(source), "")  }  func (ls *LState) Load(reader io.Reader, name string) (*LFunction, error) {      chunk, err := parse.Parse(reader, name)      // ...      proto, err := Compile(chunk, name)      // ...  }

从这一点考虑，在同份 Lua 代码将被执行多次（如在 http server 中，每次请求将执行相同 Lua 代码）的场景下，如果我们能够对代码进行提前编译，那么应该能够减少 parse 和 compile 的开销（如果这属于 hotpath 代码）。根据 Benchmark 结果，提前编译确实能够减少不必要的开销。

package glua_test  import (      "bufio"      "os"      "strings"      lua "github.com/yuin/gopher-lua"      "github.com/yuin/gopher-lua/parse"  )  // 编译 lua 代码字段  func CompileString(source string) (*lua.FunctionProto, error) {      reader := strings.NewReader(source)      chunk, err := parse.Parse(reader, source)      if err != nil {          return nil, err      }      proto, err := lua.Compile(chunk, source)      if err != nil {          return nil, err      }      return proto, nil  }  // 编译 lua 代码文件  func CompileFile(filePath string) (*lua.FunctionProto, error) {      file, err := os.Open(filePath)      defer file.Close()      if err != nil {          return nil, err      }      reader := bufio.NewReader(file)      chunk, err := parse.Parse(reader, filePath)      if err != nil {          return nil, err      }      proto, err := lua.Compile(chunk, filePath)      if err != nil {          return nil, err      }      return proto, nil  }  func BenchmarkRunWithoutPreCompiling(b *testing.B) {      l := lua.NewState()      for i := 0; i < b.N; i++ {          _ = l.DoString(`a = 1 + 1`)      }      l.Close()  }  func BenchmarkRunWithPreCompiling(b *testing.B) {      l := lua.NewState()      proto, _ := CompileString(`a = 1 + 1`)      lfunc := l.NewFunctionFromProto(proto)      for i := 0; i < b.N; i++ {          l.Push(lfunc)          _ = l.PCall(0, lua.MultRet, nil)      }      l.Close()  }  // goos: darwin  // goarch: amd64  // pkg: glua  // BenchmarkRunWithoutPreCompiling-8         100000             19392 ns/op           85626 B/op         67 allocs/op  // BenchmarkRunWithPreCompiling-8           1000000              1162 ns/op            2752 B/op          8 allocs/op  // PASS  // ok      glua    3.328s

虚拟机实例池

在同份 Lua 代码被执行的场景下，除了可使用提前编译优化性能外，我们还可以引入虚拟机实例池。

因为新建一个 Lua 虚拟机会涉及到大量的内存分配操作，如果采用每次运行都重新创建和销毁的方式的话，将消耗大量的资源。引入虚拟机实例池，能够复用虚拟机，减少不必要的开销。

func BenchmarkRunWithoutPool(b *testing.B) {      for i := 0; i < b.N; i++ {          l := lua.NewState()          _ = l.DoString(`a = 1 + 1`)          l.Close()      }  }  func BenchmarkRunWithPool(b *testing.B) {      pool := newVMPool(nil, 100)      for i := 0; i < b.N; i++ {          l := pool.get()          _ = l.DoString(`a = 1 + 1`)          pool.put(l)      }  }  // goos: darwin  // goarch: amd64  // pkg: glua  // BenchmarkRunWithoutPool-8          10000            129557 ns/op          262599 B/op        826 allocs/op  // BenchmarkRunWithPool-8            100000             19320 ns/op           85626 B/op         67 allocs/op  // PASS  // ok      glua    3.467s

Benchmark 结果显示，虚拟机实例池的确能够减少很多内存分配操作。

下面给出了 README 提供的实例池实现，但注意到该实现在初始状态时，并未创建足够多的虚拟机实例（初始时，实例数为0），以及存在 slice 的动态扩容问题，这都是值得改进的地方。

type lStatePool struct {      m     sync.Mutex      saved []*lua.LState  }  func (pl *lStatePool) Get() *lua.LState {      pl.m.Lock()      defer pl.m.Unlock()      n := len(pl.saved)      if n == 0 {          return pl.New()      }      x := pl.saved[n-1]      plpl.saved = pl.saved[0 : n-1]      return x  }  func (pl *lStatePool) New() *lua.LState {      L := lua.NewState()      // setting the L up here.      // load scripts, set global variables, share channels, etc...      return L  }  func (pl *lStatePool) Put(L *lua.LState) {      pl.m.Lock()      defer pl.m.Unlock()      pl.saved = append(pl.saved, L)  }  func (pl *lStatePool) Shutdown() {      for _, L := range pl.saved {          L.Close()      }  }  // Global LState pool  var luaPool = &lStatePool{      saved: make([]*lua.LState, 0, 4),  }

模块调用

gopher-lua 支持 Lua 调用 Go 模块，个人觉得，这是一个非常令人振奋的功能点，因为在 Golang 程序开发中，我们可能设计出许多常用的模块，这种跨语言调用的机制，使得我们能够对代码、工具进行复用。

当然，除此之外，也存在 Go 调用 Lua 模块，但个人感觉后者是没啥必要的，所以在这里并没有涉及后者的内容。

package main  import (      "fmt"      lua "github.com/yuin/gopher-lua"  )  const source = `  local m = require("gomodule")  m.goFunc()  print(m.name)  ` func main() {      L := lua.NewState()      defer L.Close()      L.PreloadModule("gomodule", load)      if err := L.DoString(source); err != nil {          panic(err)      }  }  func load(L *lua.LState) int {      mod := L.SetFuncs(L.NewTable(), exports)      L.SetField(mod, "name", lua.LString("gomodule"))      L.Push(mod)      return 1  }  var exports = map[string]lua.LGFunction{      "goFunc": goFunc,  }  func goFunc(L *lua.LState) int {      fmt.Println("golang")      return 0  }  // golang  // gomodule

变量污染

当我们使用实例池减少开销时，会引入另一个棘手的问题：由于同一个虚拟机可能会被多次执行同样的 Lua 代码，进而变动了其中的全局变量。如果代码逻辑依赖于全局变量，那么可能会出现难以预测的运行结果（这有点数据库隔离性中的“不可重复读”的味道）。

全局变量

如果我们需要限制 Lua 代码只能使用局部变量，那么站在这个出发点上，我们需要对全局变量做出限制。那问题来了，该如何实现呢？

我们知道，Lua 是编译成字节码，再被解释执行的。那么，我们可以在编译字节码的阶段中，对全局变量的使用作出限制。在查阅完 Lua 虚拟机指令后，发现涉及到全局变量的指令有两条：GETGLOBAL（Opcode 5）和 SETGLOBAL（Opcode 7）。

到这里，已经有了大致的思路：我们可通过判断字节码是否含有 GETGLOBAL 和 SETGLOBAL 进而限制代码的全局变量的使用。至于字节码的获取，可通过调用 CompileString(...) 和 CompileFile(...) ，得到 Lua 代码的 FunctionProto ，而其中的 Code 属性即为字节码 slice，类型为 []uint32 。

在虚拟机实现代码中，我们可以找到一个根据字节码输出对应 OpCode 的工具函数。

// 获取对应指令的 OpCode  func opGetOpCode(inst uint32) int {      return int(inst >> 26)  }

有了这个工具函数，我们即可实现对全局变量的检查。

package main  // ...  func CheckGlobal(proto *lua.FunctionProto) error {      for _, code := range proto.Code {          switch opGetOpCode(code) {          case lua.OP_GETGLOBAL:              return errors.New("not allow to access global")          case lua.OP_SETGLOBAL:              return errors.New("not allow to set global")          }      }      // 对嵌套函数进行全局变量的检查      for _, nestedProto := range proto.FunctionPrototypes {          if err := CheckGlobal(nestedProto); err != nil {              return err          }      }      return nil  }  func TestCheckGetGlobal(t *testing.T) {      l := lua.NewState()      proto, _ := CompileString(`print(_G)`)      if err := CheckGlobal(proto); err == nil {          t.Fail()      }      l.Close()  }  func TestCheckSetGlobal(t *testing.T) {      l := lua.NewState()      proto, _ := CompileString(`_G = {}`)      if err := CheckGlobal(proto); err == nil {          t.Fail()      }      l.Close()  }

模块

除变量可能被污染外，导入的 Go 模块也有可能在运行期间被篡改。因此，我们需要一种机制，确保导入到虚拟机的模块不被篡改，即导入的对象是只读的。

在查阅相关博客后，我们可以对 Table 的 __newindex 方法的修改，将模块设置为只读模式。

package main  import (      "fmt"      "github.com/yuin/gopher-lua"  )  // 设置表为只读  func SetReadOnly(l *lua.LState, table *lua.LTable) *lua.LUserData {      ud := l.NewUserData()      mt := l.NewTable()      // 设置表中域的指向为 table      l.SetField(mt, "__index", table)      // 限制对表的更新操作      l.SetField(mt, "__newindex", l.NewFunction(func(state *lua.LState) int {          state.RaiseError("not allow to modify table")          return 0      }))      ud.Metatable = mt      return ud  }  func load(l *lua.LState) int {      mod := l.SetFuncs(l.NewTable(), exports)      l.SetField(mod, "name", lua.LString("gomodule"))      // 设置只读      l.Push(SetReadOnly(l, mod))      return 1  }  var exports = map[string]lua.LGFunction{      "goFunc": goFunc,  }  func goFunc(l *lua.LState) int {      fmt.Println("golang")      return 0  }  func main() {      l := lua.NewState()      l.PreloadModule("gomodule", load)      // 尝试修改导入的模块      if err := l.DoString(`local m = require("gomodule");m.name = "hello world"`); err != nil {          fmt.Println(err)      }      l.Close()  }  // :1: not allow to modify table

关于如何进行gopher-lua虚拟机的原理分析就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，可以学到更多知识。如果觉得文章不错，可以把它分享出去让更多的人看到。