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lua与C交互中的堆栈详解

发布时间:2020-12-14 22:24:12 所属栏目:大数据 来源:网络整理
导读:lua与C交互中的堆栈详解 1.? 堆栈 ? ? ? 当在Lua和C之间交换数据时我们面临着两个问题:动态与静态类型系统的不匹配和自动与手动内存管理的不一致。 ? ? ? 在Lua中,我们写下a[k]=v时,k和v可以有几种不同的类型(由于metatables的存在,a也可能有不同的类型

lua与C交互中的堆栈详解

1.? 堆栈
? ? ? 当在Lua和C之间交换数据时我们面临着两个问题:动态与静态类型系统的不匹配和自动与手动内存管理的不一致。
? ? ? 在Lua中,我们写下a[k]=v时,k和v可以有几种不同的类型(由于metatables的存在,a也可能有不同的类型)。如果我们想在C中提供类似的操作,无论怎样,操作表的函数(settable)必定有一个固定的类型。我们将需要几十个不同的函数来完成这一个的操作(三个参数的类型的每一种组合都需要一个函数)。
我们可以在C中声明一些union类型来解决这个问题,我们称之为lua_Value,它能够描述所有类型的Lua值。然后,我们就可以这样声明settable
? ? ? void lua_settable (lua_Value a,lua_Value k,lua_Value v);
? ? ? 这个解决方案有两个缺点。第一,要将如此复杂的类型映射到其它语言可能很困难;Lua不仅被设计为与C/C++易于交互,Java,Fortran以及类似的语言也一样。第二,Lua负责垃圾回收:如果我们将Lua值保存在C变量中,Lua引擎没有办法了解这种用法;它可能错误地认为某个值为垃圾并收集他。

??? 因此,Lua API没有定义任何类似lua_Value的类型。替代的方案,它用一个抽象的栈在Lua与C之间交换值。栈中的每一条记录都可以保存任何Lua值。无论你何时想要从Lua请求一个值(比如一个全局变量的值),调用Lua,被请求的值将会被压入栈。无论你何时想要传递一个值给Lua,首先将这个值压入栈,然后调用Lua(这个值将被弹出)。我们仍然需要一个不同的函数将每种C类型压入栈和一个不同函数从栈上取值(译注:只是取出不是弹出),但是我们避免了组合式的爆炸(combinatorial explosion)。另外,因为栈是由Lua来管理的,垃圾回收器知道那个值正在被C使用。几乎所有的API函数都用到了栈。正如我们在第一个例子中所看到的,luaL_loadbuffer把它的结果留在了栈上(被编译的chunk或一条错误信息);lua_pcall从栈上获取要被调用的函数并把任何临时的错误信息放在这里。
??? Lua以一个严格的LIFO规则(后进先出;也就是说,始终存取栈顶)来操作栈。当你调用Lua时,它只会改变栈顶部分。你的C代码却有更多的自由;更明确的来讲,你可以查询栈上的任何元素,甚至是在任何一个位置插入和删除元素。
?

1.1 压入元素
????API有一系列压栈的函数,它将每种可以用C来描述的Lua类型压栈:空值(nil)用lua_pushnil,数值型(double)用lua_pushnumber,布尔型(在C中用整数表示)用lua_pushboolean,任意的字符串(char*类型,允许包含”字符)用lua_pushlstring,C语言风格(以”结束)的字符串(const char*)用lua_pushstring:
??? void lua_pushnil (lua_State *L);
??? void lua_pushboolean (lua_State *L,int bool);
??? void lua_pushnumber (lua_State *L,double n);
??? void lua_pushlstring (lua_State *L,const char *s,size_t length);
??? void lua_pushstring (lua_State *L,const char *s);
??? 同样也有将C函数和userdata值压入栈的函数,稍后会讨论到它们。
??? Lua中的字符串不是以零为结束符的;它们依赖于一个明确的长度,因此可以包含任意的二进制数据。将字符串压入串的正式函数是lua_pushlstring,它要求一个明确的长度作为参数。对于以零结束的字符串,你可以用lua_pushstring(它用strlen来计算字符串长度)。Lua从来不保持一个指向外部字符串(或任何其它对象,除了C函数——它总是静态指针)的指针。对于它保持的所有字符串,Lua要么做一份内部的拷贝要么重新利用已经存在的字符串。因此,一旦这些函数返回之后你可以自由的修改或是释放你的缓冲区。
??? 无论你何时压入一个元素到栈上,你有责任确保在栈上有空间来做这件事情。记住,你现在是C程序员;Lua不会宠着你。当Lua在起始以及在Lua调用C的时候,栈上至少有20个空闲的记录(lua.h中的LUA_MINSTACK宏定义了这个常量)。对于多数普通的用法栈是足够的,所以通常我们不必去考虑它。无论如何,有些任务或许需要更多的栈空间(如,调用一个不定参数数目的函数)。在这种情况下,或许你需要调用下面这个函数:
??? int lua_checkstack (lua_State *L,int sz);
??? 它检测栈上是否有足够你需要的空间(稍后会有关于它更多的信息)。


1.2 查询元素
??? API用索引来访问栈中的元素。在栈中的第一个元素(也就是第一个被压入栈的)有索引1,下一个有索引2,以此类推。我们也可以用栈顶作为参照来存取元素,利用负索引。在这种情况下,-1指出栈顶元素(也就是最后被压入的),-2指出它的前一个元素,以此类推。例如,调用lua_tostring(L,-1)以字符串的形式返回栈顶的值。我们下面将看到,在某些场合使用正索引访问栈比较方便,另外一些情况下,使用负索引访问栈更方便。
??? API提供了一套lua_is*函数来检查一个元素是否是一个指定的类型,*可以是任何Lua类型。因此有lua_isnumber,lua_isstring,lua_istable以及类似的函数。所有这些函数都有同样的原型:
int lua_is… (lua_State *L,int index);
??? lua_isnumber和lua_isstring函数不检查这个值是否是指定的类型,而是看它是否能被转换成指定的那种类型。例如,任何数字类型都满足lua_isstring。
??? 还有一个lua_type函数,它返回栈中元素的类型。(lua_is*中的有些函数实际上是用了这个函数定义的宏)在lua.h头文件中,每种类型都被定义为一个常量:LUA_TNIL、LUA_TBOOLEAN、LUA_TNUMBER、LUA_TSTRING、LUA_TTABLE、LUA_TFUNCTION、LUA_TUSERDATA以及LUA_TTHREAD。这个函数主要被用在与一个switch语句联合使用。当我们需要真正的检查字符串和数字类型时它也是有用的
??? 为了从栈中获得值,这里有lua_to*函数:
??? int lua_toboolean (lua_State *L,int index);
??? double lua_tonumber (lua_State *L,int index);
??? const char * lua_tostring (lua_State *L,int index);
??? size_t lua_strlen (lua_State *L,int index);
??? 即使给定的元素的类型不正确,调用上面这些函数也没有什么问题。在这种情况下,lua_toboolean、lua_tonumber和lua_strlen返回0,其他函数返回NULL。由于ANSI C没有提供有效的可以用来判断错误发生数字值,所以返回的0是没有什么用处的。对于其他函数而言,我们一般不需要使用对应的lua_is*函数:我们只需要调用lua_is*,测试返回结果是否为NULL即可。
??? Lua_tostring函数返回一个指向字符串的内部拷贝的指针。你不能修改它(使你想起那里有一个const)。只要这个指针对应的值还在栈内,Lua会保证这个指针一直有效。当一个C函数返回后,Lua会清理他的栈,所以,有一个原则:永远不要将指向Lua字符串的指针保存到访问他们的外部函数中。

Lua_string返回的字符串结尾总会有一个字符结束标志0,但是字符串中间也可能包含0,lua_strlen返回字符串的实际长度。特殊情况下,假定栈顶的值是一个字符串,下面的断言(assert)总是有效的:
??? const char *s = lua_tostring(L,-1);
??? size_t l = lua_strlen(L,-1);
??? assert(s[l] == ”);
??? assert(strlen(s) <= l);
?

3.3 其他堆栈操作
??? 除开上面所提及的C与堆栈交换值的函数外,API也提供了下列函数来完成通常的堆栈维护工作:
??? int lua_gettop (lua_State *L);
??? void lua_settop (lua_State *L,int index);
??? void lua_pushvalue (lua_State *L,int index);
??? void lua_remove (lua_State *L,int index);
??? void lua_insert (lua_State *L,int index);
??? void lua_replace (lua_State *L,int index);
??? 函数lua_gettop返回堆栈中的元素个数,它也是栈顶元素的索引。注意一个负数索引-x对应于正数索引gettop-x+1。lua_settop设置栈顶(也就是堆栈中的元素个数)为一个指定的值。如果开始的栈顶高于新的栈顶,顶部的值被丢弃。否则,为了得到指定的大小这个函数压入相应个数的空值(nil)到栈上。特别的,lua_settop(L,0)清空堆栈。你也可以用负数索引作为调用lua_settop的参数;那将会设置栈顶到指定的索引。利用这种技巧,API提供了下面这个宏,它从堆栈中弹出n个元素:
??? #define lua_pop(L,n) lua_settop(L,-(n)-1)
??? 函数lua_pushvalue压入堆栈上指定索引的一个抟贝到栈顶;lua_remove移除指定索引位置的元素,并将其上面所有的元素下移来填补这个位置的空白;lua_insert移动栈顶元素到指定索引的位置,并将这个索引位置上面的元素全部上移至栈顶被移动留下的空隔;最后,lua_replace从栈顶弹出元素值并将其设置到指定索引位置,没有任何移动操作。注意到下面的操作对堆栈没有任何影响:
??? lua_settop(L,-1);
??? lua_insert(L,-1);
??? 为了说明这些函数的用法,这里有一个有用的帮助函数,它dump整个堆栈的内容:
??? static void stackDump (lua_State *L) {
??????? int i;
??????? int top = lua_gettop(L);
??????? for (i = 1; i <= top; i++) {
??????? int t = lua_type(L,i);
??????? switch (t) {

??????? case LUA_TSTRING:
??????????? printf(”`%s’”,lua_tostring(L,i));
??????????? break;

??????? case LUA_TBOOLEAN:
??????????? printf(lua_toboolean(L,i) ? “true” : “false”);
??????????? break;

??????? case LUA_TNUMBER:
??????????? printf(”%g”,lua_tonumber(L,i));
??????????? break;

??????? default:
??????????? printf(”%s”,lua_typename(L,t));
??????????? break;

??????? }
??????? printf(” “);
??? }
??? printf(”n”);
}
??? 这个函数从栈底到栈顶遍历了整个堆栈,依照每个元素自己的类型打印出其值。它用引号输出字符串;以%g的格式输出数字;对于其它值(table,函数,等等)它仅仅输出它们的类型(lua_typename转换一个类型码到类型名)。
??? 下面的函数利用stackDump更进一步的说明了API堆栈的操作。
static void stackDump (lua_State *L) {

}

int main (void) {
??? lua_State *L = lua_open();
??? lua_pushboolean(L,1);

??? lua_pushnumber(L,10);
??? lua_pushnil(L); lua_pushstring(L,“hello”);
??? stackDump(L);
???

??? lua_pushvalue(L,-4);

??? stackDump(L);
???

??? lua_replace(L,3);

??? stackDump(L);
???

??? lua_settop(L,6);

??? stackDump(L);
???

??? lua_remove(L,-3);

??? stackDump(L);
???

??? lua_settop(L,-5);

??? stackDump(L);
???

??? lua_close(L); ??? return 0; } ?

(编辑:李大同)

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