Lua中的线程和状态

1、概述
线程（thread）作为Lua中一种基本的数据类型，它代表独立的执行线程（independent threads of execution），线程类型是实现协程（coroutines）的基础，注意这里的线程类型不要与操作系统线程混淆，Lua的线程类型是Lua虚拟机实现一种数据类型。
从Lua脚本来看，一个协程就是一个线程类型，比如：

[cpp]view plain copy
local co = coroutine.create(function() print("hi") end)  
print(co)  --output: thread: 0038BEE0  

准确来说，协程是一个线程外加一套良好的操作接口。
从实现角度来看，一个线程类型数据就是一个Lua与C交互的栈，每个栈包含函数调用链和数据栈，还有独立的调试钩子和错误信息。关于Lua与C交互的栈的可以参考之前写的一篇文章。线程类型数据与table数据类型类似，它也是需要GC来管理的。
当调用Lua C API中的大多数函数时，这些函数都是在特定的栈（或线程）上，因此在很多API中，第一个参数是lua_State*（线程类型对应的数据结构就是lua_State，或者说交互的栈就是用结构体lua_State来实现的），这个参数不仅表示了一个Lua状态，还表示一个记录在该状态中的线程。注意这里的状态，对一个虚拟机来说只有一个，而一个虚拟机可以包括多个线程（或者说交互栈）。这个状态也就是虚拟机的全局状态，我们可以通过调用函数luaL_newstate()来创建一个虚拟机的状态，该函数声明如下：

[cpp]view plain copy
lua_State *lua_newstate (lua_Alloc f, void *ud);  

没错，在应用程序（比如用C++编写的）中，为了加载和执行Lua脚本，首先要调用的函数就是这个函数来初始化虚拟机。该函数在初始化虚拟机状态的同时，还是创建整个虚拟机的第一个线程（称为主线程），或者说是第一个交互栈。为了在已经初始化的全局状态中创建一个新的线程（或交互栈）可以调用函数lua_newthread，该函数声明如下：

[cpp]view plain copy
lua_State *lua_newthread (lua_State *L);  

创建一个线程就拥有一个独立的执行栈了，但是它与其线程共用虚拟机的全局状态。Lua中没有函数去close或destroy 一个线程，创建的线程类型数据与其他GC对象一样，由虚拟机来管理销毁。

总之，一个Lua虚拟机只有一个全局的状态，但可以包含多个执行环境（或者说多个线程、交互栈，从脚本角度来说，也可以说是多个协程），也就是说多个执行环境共享一个全局状态。如下图所示：

下面将通过Lua 5.2.1的源码来看全局状态的数据结构global_State和脚本执行的相关的上下文环境结构lua_State，以及函数lua_newstate和lua_newthread的实现。

2、源码实现
首先来分析全局状态的结构体global_State的代码（lstate.h）：

[cpp]view plain copy
109 /*                                                                                                  
110 ** `global state', shared by all threads of this state                                              
111 */                                                                                                   
112 typedef struct global_State {                                                                        
113   lua_Alloc frealloc;  /* function to reallocate memory */                                           
114   void *ud;         /* auxiliary data to `frealloc' */                                               
115   lu_mem totalbytes;  /* number of bytes currently allocated - GCdebt */                             
116   l_mem GCdebt;  /* bytes allocated not yet compensated by the collector */                          
117   lu_mem GCmemtrav;  /* memory traversed by the GC */                                                
118   lu_mem GCestimate;  /* an estimate of the non-garbage memory in use */                             
119   stringtable strt;  /* hash table for strings */                                                    
120   TValue l_registry;                                                                                 
121   unsigned int seed;  /* randomized seed for hashes */                                               
122   lu_byte currentwhite;                                                                              
123   lu_byte gcstate;  /* state of garbage collector */                                                 
124   lu_byte gckind;  /* kind of GC running */                                                          
125   lu_byte gcrunning;  /* true if GC is running */                                                    
126   int sweepstrgc;  /* position of sweep in `strt' */                                                 
127   GCObject *allgc;  /* list of all collectable objects */                                            
128   GCObject *finobj;  /* list of collectable objects with finalizers */                               
129   GCObject **sweepgc;  /* current position of sweep in list 'allgc' */                               
130   GCObject **sweepfin;  /* current position of sweep in list 'finobj' */                             
131   GCObject *gray;  /* list of gray objects */                                                        
132   GCObject *grayagain;  /* list of objects to be traversed atomically */                             
133   GCObject *weak;  /* list of tables with weak values */                                             
134   GCObject *ephemeron;  /* list of ephemeron tables (weak keys) */                                   
135   GCObject *allweak;  /* list of all-weak tables */                                                  
136   GCObject *tobefnz;  /* list of userdata to be GC */                                                
137   UpVal uvhead;  /* head of double-linked list of all open upvalues */                               
138   Mbuffer buff;  /* temporary buffer for string concatenation */                                     
139   int gcpause;  /* size of pause between successive GCs */  
140   int gcmajorinc;  /* how much to wait for a major GC (only in gen. mode) */  
141   int gcstepmul;  /* GC `granularity' */  
142   lua_CFunction panic;  /* to be called in unprotected errors */  
143   struct lua_State *mainthread;  
144   const lua_Number *version;  /* pointer to version number */  
145   TString *memerrmsg;  /* memory-error message */  
146   TString *tmname[TM_N];  /* array with tag-method names */  
147   struct Table *mt[LUA_NUMTAGS];  /* metatables for basic types */  
148 } global_State;  

一个Lua虚拟机只有一个全局的global_State，在调用lua_newstate时候，会创建和初始化这个全局结构，这个全局结构管理着lua中全局唯一的信息, 主要包括以下信息：
lua_Alloc frealloc：虚拟机内存分配策略，可以在调用lua_newstate时指定参数，修改该策略，或者调用luaL_newstate函数使用默认的内存分配策略。也可以通过函数 lua_setallocf：来设置内存分配策略。
stringtable strt：全局的字符串哈希表，即保存那些短字符串，使得整个虚拟机中短字符串只有一份实例。
TValue l_registry：保存全局的注册表，注册表就是一个全局的table（即整个虚拟机中只有一个注册表），它只能被C代码访问，通常，它用来保存那些需要在几个模块中共享的数据。比如通过luaL_newmetatable创建的元表就是放在全局的注册表中。
lua_CFunction panic：但出现无包含错误（unprotected errors）时，会调用这个函数。这个函数可以通过lua_atpanic来修改。
UpVal uvhead:指向保存所有open upvalues双向链表的头部。
struct Table *mt[LUA_NUMTAGS]：保存基本类型的元表，注意table和userdata都有自己的元表。
struct lua_State *mainthread：指向主lua_State，或者说是主线程、主执行栈。Lua虚拟机在调用函数lua_newstate初始化全局状态global_State时也会创建一个主线程，当然根据需要也可以调用lua_newthread来创建新的线程，但是整个虚拟机，只有一个全局的状态global_State。
全局状态结构体中其他成员基本都是与内存管理和GC相关的。
下面来看线程对应的数据结构lua_State的实现，代码如下（lstate.h）：

[cpp]view plain copy
151 /* 
152 ** `per thread' state 
153 */  
154 struct lua_State {  
155   CommonHeader;  
156   lu_byte status;  
157   StkId top;  /* first free slot in the stack */  
158   global_State *l_G;  
159   CallInfo *ci;  /* call info for current function */  
160   const Instruction *oldpc;  /* last pc traced */  
161   StkId stack_last;  /* last free slot in the stack */  
162   StkId stack;  /* stack base */   
163   int stacksize;  
164   unsigned short nny;  /* number of non-yieldable calls in stack */  
165   unsigned short nCcalls;  /* number of nested C calls */  
166   lu_byte hookmask;  
167   lu_byte allowhook;  
168   int basehookcount;  
169   int hookcount;  
170   lua_Hook hook;  
171   GCObject *openupval;  /* list of open upvalues in this stack */  
172   GCObject *gclist;  
173   struct lua_longjmp *errorJmp;  /* current error recover point */  
174   ptrdiff_t errfunc;  /* current error handling function (stack index) */  
175   CallInfo base_ci;  /* CallInfo for first level (C calling Lua) */  
176 };  

可以看到，lua_State结构跟其他可回收的数据类型类型，结构体带用CommonHeader的头，它也GC回收的对象之一。它主要包括以下成员信息：
lu_byte status：线程脚本的状态，线程可能状态如下（lua.h）：

[cpp]view plain copy
44 /* thread status */  
45 #define LUA_OK      0  
46 #define LUA_YIELD   1  
47 #define LUA_ERRRUN  2  
48 #define LUA_ERRSYNTAX   3  
49 #define LUA_ERRMEM  4  
50 #define LUA_ERRGCMM 5  
51 #define LUA_ERRERR  6  

global_State *l_G：指向全局状态；
其他成员主要是数据栈和函数调用栈相关的，这也是lua_State结构中主要信息。还有成员ptrdiff_t errfunc是错误处理函数相关，也就是每个调用栈都有独立的错误处理函数，以及调试相关的lua_Hook hook成员等。

3、总结
在调用lua_newstate 初始化Lua虚拟机时，会创建一个全局状态和一个线程（或称为调用栈），这个全局状态在整个虚拟机中是唯一的，供其他线程共享。一个Lua虚拟机中可以包括多个线程，这些线程共享一个全局状态，线程之间也可以调用lua_xmove函数来交换数据。

参考资料

http://www.cnblogs.com/ringofthec/archive/2010/11/09/lua_State.html lua API 小记3(lua虚拟机初始化)
http://blog.aliyun.com/795 Lua数据结构 — lua_State（六）
Lua 5.2.1源码

Lua中的线程和状态

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