编程语言之Lua
2010-11-02 14:24:36 
阿炯
Lua 是一个小巧的脚本语言，其设计目的是为了嵌入应用程序中，从而为应用程序提供灵活的扩展和定制功能，Lua最著名的应用是在暴雪公司的网络游戏WOW中。采用C语言开发并在MIT协议下授权。
Lua脚本可以很容易的被C/C++代码调用，也可以反过来调用C/C++的函数，这使得Lua在应用程序中可以被广泛应用。不仅仅作为扩展脚本，也可以作为普通的配置文件，代替XML,Ini等文件格式，并且更容易理解和维护。
1993年，巴西里约热内卢天主教大学的三个老师发明了Lua。
Lua以其简单性、小尺寸和可移植性，成为嵌入式编程语言之王。除了游戏这个主战场之外，Lua还入侵了各种软件（TeX排版，Neovim，Nginx......），各种硬件（三星的电视、思科的路由器、TI的计算器，罗技的键盘......）。
Lua由标准C编写而成，代码简洁优美，几乎在所有操作系统和平台上都可以编译、运行。一个完整的Lua解释器不过200k，在目前所有脚本引擎中，Lua的速度是最快的，这就决定了它是作为嵌入式脚本的最佳选择。其语法比较简单，学习起来也比较省力，但功能却并不弱。在Lua中一切都是变量，除了关键字，请记住这句话。其主要有三种用户，即适用嵌入到某个程序中的Lua用户，适用Lua解释器程序的用户以及同时使用C和Lua的用户。同时Lua作为脚本语言，主要有以下几个特性：
(1)可拓展性：非常卓越可拓展性，从一门编程语言进化为一种用于构建特定领域语言的工具包。
(2)简易性：简单且小巧的语言。
(3)高效性：具有非常高效的实现，性能评估显示Lua是脚本(解释型)语言中运行效率最高的语言。
(4)可移植性：优秀的跨平台特性，可以运行在任何平台上。
Lua主要的运用场景：
(1)游戏以及游戏插件
(2)嵌入式程序
(3)大型程序中的部分模块
和Perl、Python等脚本不同，Lua并没有提供强大的库，这是由其定位决定的。所以它不适合作为开发独立应用程序的语言，不过还是具备了比如数学运算和字符串处理等基本的功能。
简略教程
I. 首先是注释
写一个程序，总是少不了注释的。
在Lua中可以使用单行注释和多行注释。
单行注释中，连续两个减号"--"表示注释的开始，一直延续到行末为止。相当于C++语言中的"//"。
多行注释中，由"--[["表示注释开始，并且一直延续到"]]"为止。这种注释相当于C语言中的"/*…*/"。在注释当中，"[["和"]]"是可以嵌套的。
II. Lua编程
经典的"Hello world"的程序总是被用来开始介绍一种语言。在Lua中写一个这样的程序很简单：
print("Hello world")
在Lua中，语句之间可以用分号"；"隔开，也可以用空白隔开。一般来说，如果多个语句写在同一行的话，建议总是用分号隔开。
Lua 有好几种程序控制语句，如：
条件控制：if 条件 then … elseif 条件 then … else … end
While循环：while 条件 do … end
Repeat循环：repeat … until 条件
For循环：for 变量 = 初值，终点值，步进 do … end
For循环：for 变量1，变量2，… ，变量N in表或枚举函数 do … end
注意一下，for的循环变量总是只作用于for的局部变量，你也可以省略步进值，这时候，for循环会使用1作为步进值。你可以用break来中止一个循环。如果你有程序设计的基础，比如你学过Basic，C之类的，你会觉得Lua也不难。但Lua有几个地方是明显不同于这些程序设计语言的，所以请特别注意。
1.语句块
语句块在C++中是用"{"和"}"括起来的，在Lua中，它是用do 和 end 括起来的。比如：
do print("Hello") end
你可以在 函数 中和 语句块 中定局部变量。
2.赋值语句
赋值语句在Lua被强化了。它可以同时给多个变量赋值。
例如：
a,b,c,d=1,2,3,4
甚至是：
a,b=b,a -- 多么方便的交换变量功能啊。
在默认情况下，变量总是认为是全局的。假如你要定义局部变量，则在第一次赋值的时候，需要用local说明。比如：
local a,b,c = 1,2,3 -- a,b,c都是局部变量
3.数值运算
和C语言一样，支持 +, -, *, /。但Lua还多了一个"^"。这表示指数乘方运算。比如2^3 结果为8, 2^4结果为16。
连接两个字符串，可以用".."运处符。如：
"This a " .. "string." -- 等于 "this a string"
4.比较运算
<,>,<=,>=,=,~=
分别表示 小于，大于，不大于，不小于，相等，不相等
所有这些操作符总是返回true或false。
对于Table，Function和Userdata类型的数据，只有 == 和 ~=可以用。相等表示两个变量引用的是同一个数据。比如：
a={1,2}
b=a
print(a==b, a~=b) -- true, false
a={1,2}
b={1,2}
print(a==b, a~=b) -- false, true
5.逻辑运算
and, or, not
其中，and 和 or 与C语言区别特别大。
在这里请先记住，Lua中只有false和nil才计算为false，其它任何数据都计算为true，0也是true！
and 和 or的运算结果不是true和false，而是和它的两个操作数相关。
a and b：如果a为false，则返回a；否则返回b
a or b：如果 a 为true，则返回a；否则返回b
举几个例子：
print(4 and 5) --> 5
print(nil and 13) --> nil
print(false and 13) --> false
print(4 or 5) --> 4
print(false or 5) --> 5
在Lua中这是很有用的特性，也是比较令人混洧的特性。
可以模拟C语言中的语句：x = a? b : c，在Lua中，可以写成：x = a and b or c。
最有用的语句是： x = x or v，它相当于：if not x then x = v end 。
6.运算符优先级，从高到低顺序如下：
^
not - (一元运算)
* /
+ -
..(字符串连接)
= ~= ==
and
or
III. 关键字
关键字是不能做为变量的，Lua的关键字不多，就以下几个：
and break do else elseif
end false for function if
in local nil not or
repeat return then true until while
IV. 变量类型
怎么确定一个变量是什么类型的呢？大家可以用type()函数来检查，Lua支持的类型有以下几种：
Nil 空值，所有没有使用过的变量，都是nil。nil既是值，又是类型。
Boolean 布尔值
Number 数值，在Lua里，数值相当于C语言的double
String 字符串，如果你愿意的话，字符串是可以包含'\0'字符的
Table 关系表类型，这个类型功能比较强大，我们在后面慢慢说
Function 函数类型，不要怀疑，函数也是一种类型，也就是说，所有的函数，它本身就是一个变量
Userdata 嗯，这个类型专门用来和Lua的宿主打交道的。宿主通常是用C和C++来编写的，在这种情况下，Userdata可以是宿主的任意数据类型，常用的有Struct和指针
Thread 线程类型，在Lua中没有真正的线程。Lua中可以将一个函数分成几部份运行，如果感兴趣的话，可以去看看Lua的文档
V. 变量的定义
所有的语言，都要用到变量。在Lua中，不管你在什么地方使用变量，都不需要声明，并且所有的这些变量总是全局变量，除非，你在前面加上"local"。
这一点要特别注意，因为你可能想在函数里使用局部变量，却忘了用local来说明。
至于变量名字，它是大小写相关的。也就是说，A和a是两个不同的变量。
定义一个变量的方法就是赋值。"＝"操作就是用来赋值的，一起来定义几种常用类型的变量吧。
A. Nil
正如前面所说的，没有使用过的变量的值，都是Nil。有时候我们也需要将一个变量清除，此时可以直接给变量赋以nil值。如：
var1=nil -- 请注意 nil 一定要小写
B. Boolean
布尔值通常是用在进行条件判断的时候。布尔值有两种：true 和 false。在Lua中，只有false和nil才被计算为false，而所有任何其它类型的值，都是true。比如0，空串等等，都是true。不要被C语言的习惯所误导，0在Lua中的的确确是true。你也可以直接给一个变量赋以Boolean类型的值，如：
varboolean = true
C. Number
在Lua中，是没有整数类型的，也不需要。一般情况下，只要数值不是很大(比如不超过100,000,000,000,000)，是不会产生舍入误差的。在很多CPU上，实数的运算并不比整数慢。
实数的表示方法，同C语言类似，如：4 0.4 4.57e-3 0.3e12 5e+20
D. String
字符串，总是一种非常常用的高级类型。在Lua中，你可以非常方便的定义很长很长的字符串。
字符串在Lua中有几种方法来表示，最通用的方法，是用双引号或单引号来括起一个字符串的，如："This is a string."
和C语言相同的，它支持一些转义字符，列表如下：
\a bell
\b back space
\f form feed
\n newline
\r carriage return
\t horizontal tab
\v vertical tab
\\ backslash
\" double quote
\' single quote
\[ left square bracket
\] right square bracket
由于这种字符串只能写在一行中，因此，不可避免的要用到转义字符。加入了转义字符的串，看起来实在是不敢恭维，比如：
"one line\nnext line\n\"in quotes\", 'in quotes'"
值得注意的是，在这种字符串中，如果含有单独使用的"[["或"]]"就仍然得用"\["或"\]"来避免歧义。当然，这种情况是极少会发生的。
E. Table
关系表类型，这是一个很强大的类型。可以把这个类型看作是一个数组。只是C语言的数组，只能用正整数来作索引；在Lua中可以用任意类型来作数组的索引，除了nil。同样，在C语言中，数组的内容只允许一种类型；在Lua中也可以用任意类型的值来作数组的内容，除了nil。
Table的定义很简单，它的主要特征是用"{"和"}"来括起一系列数据元素的。比如：
T1 = {} -- 定义一个空表
T1[1]=10 -- 然后我们就可以象C语言一样来使用它了。
T1["John"]={Age=27, Gender="Male"}
这一句相当于：
T1["John"]={} -- 必须先定义成一个表，还记得未定义的变量是nil类型吗
T1["John"]["Age"]=27
T1["John"]["Gender"]="Male"
当表的索引是字符串的时候，我们可以简写成：
T1.John={}
T1.John.Age=27
T1.John.Gender="Male"
或
T1.John{Age=27, Gender="Male"}
这是一个很强的特性。
在定义表的时候，我们可以把所有的数据内容一起写在"{"和"}"之间，这样子是非常方便，而且很好看。比如，前面的T1的定义，我们可以这么写：
T1=
{
10, -- 相当于 [1] = 10
[100] = 40,
John= -- 如果你原意，你还可以写成：["John"] =
{
Age=27, -- 如果你原意，你还可以写成：["Age"] =27
Gender=Male -- 如果你原意，你还可以写成：["Gender"] =Male
},
20 -- 相当于 [2] = 20
}
看起来很漂亮，不是吗？我们在写的时候，需要注意三点：
1.所有元素之间，总是用逗号"，"隔开；
2.所有索引值都需要用"["和"]"括起来；如果是字符串，还可以去掉引号和中括号；
3.如果不写索引，则索引就会被认为是数字，并按顺序自动从1往后编；
表类型的构造是如此的方便，以致于常常被人用来代替配置文件。是的，不用怀疑，它比ini文件要漂亮，并且强大的多。
F. Function
函数，在Lua中，函数的定义也很简单。典型的定义如下：
function add(a,b) -- add 是函数名字，a和b是参数名字
return a+b -- return 用来返回函数的运行结果
end
请注意，return语言一定要写在end之前。假如你非要在中间放上一句return，那么请写成：do return end。
还记得前面说过，函数也是变量类型吗？上面的函数定义，其实相当于：
add = function (a,b) return a+b end
当你重新给add赋值时，它就不再表示这个函数了。你甚至可以赋给add任意数据，包括nil (这样，你就清除了add变量)。Function是不是很象C语言的函数指针呢？
和C语言一样，Lua的函数可以接受可变参数个数，它同样是用"…"来定义的，比如：
function sum (a,b,…)
如果想取得…所代表的参数，可以在函数中访问arg局部变量(表类型)得到。
如 sum(1,2,3,4)
则，在函数中，a = 1, b = 2, arg = {3, 4}
更可贵的是，它可以同时返回多个结果，比如：
function s()
return 1,2,3,4
end
a,b,c,d = s() -- 此时，a = 1, b = 2, c = 3, d = 4
前面说过，表类型可以拥有任意类型的值，包括函数！因此，有一个很强大的特性是，拥有函数的表，哦，我想更恰当的应该说是对象吧。Lua可以使用面向对象编程了。不信？那我举例如下：
t = {
Age = 27
add = function(self, n) self.Age = self.Age+n end
}
print(t.Age) -- 27
t.add(t, 10)
print(t.Age) -- 37
不过，t.add(t,10) 这一句实在是有点土对吧？没关系，在Lua中，你可以简写成：
t:add(10) -- 相当于 t.add(t,10)
G. Userdata 和 Thread
这两个类型的话题，超出了本文的内容，在此就不细说了。
就象C语言一样，Lua提供了相当多的标准函数来增强语言的功能。使用这些标准函数，可以很方便的操作各种数据类型，并处理输入与输出。
LuaJIT
简单地说，LuaJIT 是 Lua 这种编程语言的实时编译（JIT，Just-In-Time Compilation）器的实现。对于不太了解 LuaJIT 的读者可以将 LuaJIT 拆成 Lua 和 JIT 两个部分来理解。
Lua 是一种优雅、易于学习的编程语言，具有自动内存管理、完整的词法作用域、闭包、迭代器、协程、正确的尾部调用以及使用关联数组进行非常实用的数据处理。其设计目标是能与 C 或其它常用的编程语言相互集成，这样就可以利用其它语言已经做好的方面；而它提供的特性又恰好是 C 这类语言不太擅长的，比如相对于硬件层的高层抽象，动态的结构，简易的测试等等。其袖珍的语言内核和只依赖于 ANSI C 标准的特点，使之在各平台上的可移植性变得非常高。因此 Lua 不仅是一个可以作为独立程序运行的脚本语言，也是一个可以嵌入其它应用的嵌入式语言。但此时的 Lua 还有传统脚本语言常见的两个问题：效率低和代码暴露。而 LuaJIT 引入的 JIT 技术能够有效地解决了这两个问题。
JIT（Just-In-Time Compilation），实时编译，是动态编译的一种形式。在计算机科学中，动态编译并不是唯一的编译形式，比如现今仍然流行的 C 语言使用的就是另一种形式：静态编译。
需要指出的是，我们也常常将 C 语言的这种与动态编译相反的编译方式称为提前编译（AOT，Ahead-of-Time Compilation），但二者并不是完全对等的。AOT 仅是描述在执行程序前，将某种 “高级” 语言编译为某种 “低级” 语言的行为。其编译的目标语言并不一定特定于程序宿主机上的机器码，而是任意定义的。比如将 Java 编译为 C，或者将 JavaScript 编译为 V8 等等这些行为也会被视为 AOT。由于所有静态编译在技术上都是提前执行的，所以在这种特定的上下文中使用时，可以将 AOT 视为与 JIT 相反的静态编译。
抛开这些冗杂的名词，想到静态编译的产物，可能会发现Lua语言面临的问题也可以通过静态编译来解决。但事实上，这就丢失了 Lua 作为脚本语言的优势：热更新的灵活性和良好的平台兼容性。所以目前除了有特殊需求的脚本语言外，大部分脚本语言都在使用 JIT 尝试提高语言性能，比如 Chromium 平台上使用 V8 的 JavaScript 和使用 YJIT 的 Ruby。
JIT 尝试将 Lua 的动态解释和 C 的静态编译两者的优缺点相结合，在脚本语言的执行期间，通过不断地分析正在执行的代码片段，编译或重新编译这段代码，以得到执行效率的提升。此时，JIT 假设的目标是，由此得到的性能提升能够高于编译或重新编译这段代码的开销。理论上说，由于能够进行动态地重新编译，JIT 在此过程中，可以针对正在运行程序的特定平台架构进行优化、加速，在某些情况下，能产生比静态编译更快的执行速度。
JIT 分为传统的 Method JIT 和 LuaJIT 正在使用的 Trace JIT 两种。Method JIT 是将每一个方法（Method）翻译为机器码；而如下图所示，更先进的 Trace JIT 假定 “对只执行一两次的代码，解释执行比 JIT 编译执行要快”，以此为依据对传统 JIT 进行优化，具体表现为将频繁执行的代码片段（即热路径上的代码）认定为需要跟踪的代码，将这部分代码编译成机器码执行。
LuaJIT 的原理
LuaJIT
而 LuaJIT（2.x 版本）在 Trace JIT 的基础上，集成了使用汇编编写的高速解释器和基于 SSA 并进行优化的代码生成器后端，大幅提高了 JIT 的表现，最终使得 LuaJIT 成为最快的动态语言实现之一。即 LuaJIT 是 Lua 的实时编译器实现。
除此之外，相对于原生 Lua 中为了与 C 交互而需要编写 Lua 与 C 的繁复绑定，LuaJIT 还实现了 FFI（外部函数接口，Foreign Function Interface）。该技术允许了我们在不清楚参数个数和类型的情况下，从 Lua 代码中直接调用外部的 C 函数和使用 C 的数据结构。由此功能，我们也可以直接使用 FFI 实现所需的数据结构，而非 Lua 原生的 Table 类型，进一步在性能敏感的场景下，提升程序运行的速度。有关使用 FFI 提高性能的技巧并非本文讨论的范畴，更深入的内容可以参阅 Why Does lua-resty-core Perform Better?。
LuaJIT 在 Lua 语法的基础上，实现了迄今为止脚本语言中最快的 Trace JIT 之一，并提供了 FFI 等功能，解决了 Lua 效率低和代码暴露的问题，让 Lua 真正成为了高灵活性、高性能和超低内存占用的脚本语言和嵌入式语言。
与其它语言、WASM 的对比
相对于 Lua 和 LuaJIT，可能对其它的一些语言更加熟悉，比如 JavaScript (Node.js)，Python，Golang，Java 等。对比这些大众化的语言，可以看到更多 LuaJIT 的特性和优势，下面简单罗列一些 Lua/LuaJIT 与这些语言的对比：
1.Lua 的语法设计是针对非软件工程师所设计的。所以像 R 语言一样，Lua 也拥有数组下标从 1 开始等适合普通人的设计。
2.Lua 非常适合作为嵌入式语言。Lua 本身拥有一个轻量的 VM，而 LuaJIT 在添加各种功能和优化后，也仍然很轻量。所以相对 Node.js 和 Python 之类庞大的运行环境，LuaJIT 直接集成到 C 编写的程序中后也不会增大太多体积。因此，实际上 Lua 是所有嵌入式语言中使用量比较大且主流的选择。
3.Lua 也很适合做 “胶水” 语言。类似 JavaScript (Node.js) 和 Python，Lua 也能很好地连接不同的库和代码。但稍有不同的是，Lua 与底层生态的耦合性更高，所以在不同的领域中，Lua 的生态可能并不通用。
WASM（Web Assembly）是一种新兴的跨平台技术。这种起初设计为补充而非取代 JavaScript 的技术，因为能够将其它的语言编译成 WASM 字节码，同时还能作为安全沙箱运行代码，使得越来越多的程序也在考虑使用 WASM 作为嵌入或者胶水的平台。即便如此，Lua/LuaJIT 在对比新兴的 WASM 时，也仍然有不少优势：
1.WASM 的性能是受限的，无法达到汇编的水准。普遍场景下的性能，WASM 肯定好过 Lua，但与 LuaJIT 有所差距。
2.WASM 与宿主程序的数据传递效率比较低。而 LuaJIT 可以通过 FFI 进行高效率的数据传递。
Apache APISIX 选择 LuaJIT
尽管上文描述了 LuaJIT 自身的诸多优势，但对于大部分开发者而言，Lua 不是一门大众的语言，LuaJIT 更不是一个大众的选择。作为云原生的 API 网关，Apache APISIX 兼具动态、实时、高性能等特点，提供了负载均衡、动态上游、灰度发布、服务熔断、身份认证、可观测性等丰富的流量管理功能。可以使用 Apache APISIX 来处理传统的南北向流量，也可以处理服务间的东西向流量，还可以用作 k8s 的 Ingress Controller。而这一切都建立在 APISIX 所选择的 Nginx 和 LuaJIT 技术栈之上，带来的高性能、高灵活等特性，提供了负载均衡、动态上游、灰度发布、服务熔断、身份认证、可观测性等丰富的流量管理功能。
LuaJIT 与 Nginx 结合带来的优势
Nginx 是一个知名的高性能 HTTP、TCP/UDP 代理和反向代理的 Web 服务器。但在使用中会发现每次修改 Nginx 的配置文件后，都需要使用 nginx -s reload 重新加载配置。不仅如此，频繁地使用该命令重新加载配置可能会造成连接的不稳定，增加业务丢失的可能性；而在某些情况下，Nginx 重载配置的机制也可能会造成旧进程的回收时间过长，影响正常的业务。
Lua 5.3.0 于2015年正式发布，主要增加对整数支持、支持位操作、提供一个基本的 UTF-8 库以及对 64 位和 32 位平台的支持。
最新版本：5.4
以下是从 5.3 到 5.4 的主要变更：
新一代的垃圾回收机制
新增 to-be-closed 变量
新增 const 变量
userdata 可以具有多个用户的值
随机数生成函数 math.random 采用了新的实现方法
新增警告系统(warning system)
可对函数参数和返回值的信息进行调试
针对整数的 'for' 循环增加了新语义
针对 'string.gmatch' 增加了可选的 'init' 参数
新增 'lua_resetthread' 和 'coroutine.close' 函数
将 string-to-number 迁移至 string 库
分配函数在减少内存块时支持失败
为 'string.format' 新引入的格式 '%p'
utf8 库可接受数值最高为 2^31 的代码点(codepoint)
更多情况请查看更新说明。完整的 Lua 5.4 变更列表可以在这里找到，在此仅简单概览下其中主要的几点变化：
分代 GC
之前 Lua 采用的是 分步 GC 算法来进行垃圾回收, Lua 5.4 加入了 分代 GC 算法,值得注意的一点是, Lua 5.4 仍然支持分步 GC 算法(并且目前分步 GC 算法仍然是默认的 GC 算法),我们可以通过调用 collectgarbage 来切换当前使用的 GC 算法:
-- convert to generational gc
collectgarbage("generational")
-- convert to incremental gc
collectgarbage("incremental")
之前 collectgarbage 方法支持的两个设置“setpause”和“setstepmul”,在 Lua 5.4 中已经不再支持,目前我们需要借助“incremental”来完成相关变量的设置:
collectgarbage("incremental", pause, stepmul, stepsize)
to-be-closed (局部)变量
Lua 5.4 引入了 to-be-closed(局部)变量,机制上可类比 C# 中的 using 语句,实现了类似于 Dispose 的编程模式,只是 C# 中的 Dispose 编程模式通过 Dispose 方法来进行资源的释放,而 Lua 5.4 中的 to-be-closed (局部)变量则是使用 __close 元方法.
下面是一段示例代码,其中 tbcv 元表的 __close 元方法会在 tbcv 离开作用域的时候被调用:
local tbcmt = {
__close = function()
print("close to-be-closed var")
end
}
local function create_tbcv()
local tbcv = {}
setmetatable(tbcv, tbcmt)
return tbcv
end
do
local tbcv <close> = create_tbcv()
end
const (局部)变量
const (局部)变量只能在初始化时赋值,之后对该变量的赋值操作都会被认为是不合法的:
local cv <const> = {}
cv.name = "name"
-- error: attempt to assign to const variable
cv = {}
math.random 的重新实现
之前 Lua 中的 math.random 是基于 C 语言库函数 rand() 来实现的, 这给跨平台开发带来了一些问题,因为不同平台的 C 语言运行时对 rand() 的实现并不相同,所以会造成 rand() 返回结果不一致的问题(在各个平台间), Lua 5.4 基于 xoshiro256** 重新实现了 math.random, 继而解决了该问题.
警告系统
Lua 5.4 新添加了一个警告系统,我们可以通过 warn 函数来触发一个警告:
warn("this is a warn")
但是在 Lua 5.4 的 default 实现中,警告系统是默认关闭的,想要开启的话,需要在 C 语言侧调用 lua_warning 来进行开启:
lua_warning(L, "@on", 0);
当然,我们也可以通过调用 lua_setwarnf 来替换 Lua 5.4 的 default 实现:
void lua_setwarnf (lua_State *L, lua_WarnFunction f, void *ud);
undef ?
Lua 5.4 初期还支持 undef 关键字,用以解决不能给 table 元素进行 nil 赋值的问题(有兴趣的朋友可以自行搜索相关细节),该特性引起了不少争论,后面 Lua 5.4 去除了对该特性的支持.
官方主页：http://www.lua.org/
Lua脚本可以很容易的被C/C++代码调用，也可以反过来调用C/C++的函数，这使得Lua在应用程序中可以被广泛应用。不仅仅作为扩展脚本，也可以作为普通的配置文件，代替XML,Ini等文件格式，并且更容易理解和维护。
1993年，巴西里约热内卢天主教大学的三个老师发明了Lua。
Lua以其简单性、小尺寸和可移植性，成为嵌入式编程语言之王。除了游戏这个主战场之外，Lua还入侵了各种软件（TeX排版，Neovim，Nginx......），各种硬件（三星的电视、思科的路由器、TI的计算器，罗技的键盘......）。
Lua由标准C编写而成，代码简洁优美，几乎在所有操作系统和平台上都可以编译、运行。一个完整的Lua解释器不过200k，在目前所有脚本引擎中，Lua的速度是最快的，这就决定了它是作为嵌入式脚本的最佳选择。其语法比较简单，学习起来也比较省力，但功能却并不弱。在Lua中一切都是变量，除了关键字，请记住这句话。其主要有三种用户，即适用嵌入到某个程序中的Lua用户，适用Lua解释器程序的用户以及同时使用C和Lua的用户。同时Lua作为脚本语言，主要有以下几个特性：
(1)可拓展性：非常卓越可拓展性，从一门编程语言进化为一种用于构建特定领域语言的工具包。
(2)简易性：简单且小巧的语言。
(3)高效性：具有非常高效的实现，性能评估显示Lua是脚本(解释型)语言中运行效率最高的语言。
(4)可移植性：优秀的跨平台特性，可以运行在任何平台上。
Lua主要的运用场景：
(1)游戏以及游戏插件
(2)嵌入式程序
(3)大型程序中的部分模块
和Perl、Python等脚本不同，Lua并没有提供强大的库，这是由其定位决定的。所以它不适合作为开发独立应用程序的语言，不过还是具备了比如数学运算和字符串处理等基本的功能。
简略教程
I. 首先是注释
写一个程序，总是少不了注释的。
在Lua中可以使用单行注释和多行注释。
单行注释中，连续两个减号"--"表示注释的开始，一直延续到行末为止。相当于C++语言中的"//"。
多行注释中，由"--[["表示注释开始，并且一直延续到"]]"为止。这种注释相当于C语言中的"/*…*/"。在注释当中，"[["和"]]"是可以嵌套的。
II. Lua编程
经典的"Hello world"的程序总是被用来开始介绍一种语言。在Lua中写一个这样的程序很简单：
print("Hello world")
在Lua中，语句之间可以用分号"；"隔开，也可以用空白隔开。一般来说，如果多个语句写在同一行的话，建议总是用分号隔开。
Lua 有好几种程序控制语句，如：
条件控制：if 条件 then … elseif 条件 then … else … end
While循环：while 条件 do … end
Repeat循环：repeat … until 条件
For循环：for 变量 = 初值，终点值，步进 do … end
For循环：for 变量1，变量2，… ，变量N in表或枚举函数 do … end
注意一下，for的循环变量总是只作用于for的局部变量，你也可以省略步进值，这时候，for循环会使用1作为步进值。你可以用break来中止一个循环。如果你有程序设计的基础，比如你学过Basic，C之类的，你会觉得Lua也不难。但Lua有几个地方是明显不同于这些程序设计语言的，所以请特别注意。
1.语句块
语句块在C++中是用"{"和"}"括起来的，在Lua中，它是用do 和 end 括起来的。比如：
do print("Hello") end
你可以在 函数 中和 语句块 中定局部变量。
2.赋值语句
赋值语句在Lua被强化了。它可以同时给多个变量赋值。
例如：
a,b,c,d=1,2,3,4
甚至是：
a,b=b,a -- 多么方便的交换变量功能啊。
在默认情况下，变量总是认为是全局的。假如你要定义局部变量，则在第一次赋值的时候，需要用local说明。比如：
local a,b,c = 1,2,3 -- a,b,c都是局部变量
3.数值运算
和C语言一样，支持 +, -, *, /。但Lua还多了一个"^"。这表示指数乘方运算。比如2^3 结果为8, 2^4结果为16。
连接两个字符串，可以用".."运处符。如：
"This a " .. "string." -- 等于 "this a string"
4.比较运算
<,>,<=,>=,=,~=
分别表示 小于，大于，不大于，不小于，相等，不相等
所有这些操作符总是返回true或false。
对于Table，Function和Userdata类型的数据，只有 == 和 ~=可以用。相等表示两个变量引用的是同一个数据。比如：
a={1,2}
b=a
print(a==b, a~=b) -- true, false
a={1,2}
b={1,2}
print(a==b, a~=b) -- false, true
5.逻辑运算
and, or, not
其中，and 和 or 与C语言区别特别大。
在这里请先记住，Lua中只有false和nil才计算为false，其它任何数据都计算为true，0也是true！
and 和 or的运算结果不是true和false，而是和它的两个操作数相关。
a and b：如果a为false，则返回a；否则返回b
a or b：如果 a 为true，则返回a；否则返回b
举几个例子：
print(4 and 5) --> 5
print(nil and 13) --> nil
print(false and 13) --> false
print(4 or 5) --> 4
print(false or 5) --> 5
在Lua中这是很有用的特性，也是比较令人混洧的特性。
可以模拟C语言中的语句：x = a? b : c，在Lua中，可以写成：x = a and b or c。
最有用的语句是： x = x or v，它相当于：if not x then x = v end 。
6.运算符优先级，从高到低顺序如下：
^
not - (一元运算)
* /
+ -
..(字符串连接)
= ~= ==
and
or
III. 关键字
关键字是不能做为变量的，Lua的关键字不多，就以下几个：
and break do else elseif
end false for function if
in local nil not or
repeat return then true until while
IV. 变量类型
怎么确定一个变量是什么类型的呢？大家可以用type()函数来检查，Lua支持的类型有以下几种：
Nil 空值，所有没有使用过的变量，都是nil。nil既是值，又是类型。
Boolean 布尔值
Number 数值，在Lua里，数值相当于C语言的double
String 字符串，如果你愿意的话，字符串是可以包含'\0'字符的
Table 关系表类型，这个类型功能比较强大，我们在后面慢慢说
Function 函数类型，不要怀疑，函数也是一种类型，也就是说，所有的函数，它本身就是一个变量
Userdata 嗯，这个类型专门用来和Lua的宿主打交道的。宿主通常是用C和C++来编写的，在这种情况下，Userdata可以是宿主的任意数据类型，常用的有Struct和指针
Thread 线程类型，在Lua中没有真正的线程。Lua中可以将一个函数分成几部份运行，如果感兴趣的话，可以去看看Lua的文档
V. 变量的定义
所有的语言，都要用到变量。在Lua中，不管你在什么地方使用变量，都不需要声明，并且所有的这些变量总是全局变量，除非，你在前面加上"local"。
这一点要特别注意，因为你可能想在函数里使用局部变量，却忘了用local来说明。
至于变量名字，它是大小写相关的。也就是说，A和a是两个不同的变量。
定义一个变量的方法就是赋值。"＝"操作就是用来赋值的，一起来定义几种常用类型的变量吧。
A. Nil
正如前面所说的，没有使用过的变量的值，都是Nil。有时候我们也需要将一个变量清除，此时可以直接给变量赋以nil值。如：
var1=nil -- 请注意 nil 一定要小写
B. Boolean
布尔值通常是用在进行条件判断的时候。布尔值有两种：true 和 false。在Lua中，只有false和nil才被计算为false，而所有任何其它类型的值，都是true。比如0，空串等等，都是true。不要被C语言的习惯所误导，0在Lua中的的确确是true。你也可以直接给一个变量赋以Boolean类型的值，如：
varboolean = true
C. Number
在Lua中，是没有整数类型的，也不需要。一般情况下，只要数值不是很大(比如不超过100,000,000,000,000)，是不会产生舍入误差的。在很多CPU上，实数的运算并不比整数慢。
实数的表示方法，同C语言类似，如：4 0.4 4.57e-3 0.3e12 5e+20
D. String
字符串，总是一种非常常用的高级类型。在Lua中，你可以非常方便的定义很长很长的字符串。
字符串在Lua中有几种方法来表示，最通用的方法，是用双引号或单引号来括起一个字符串的，如："This is a string."
和C语言相同的，它支持一些转义字符，列表如下：
\a bell
\b back space
\f form feed
\n newline
\r carriage return
\t horizontal tab
\v vertical tab
\\ backslash
\" double quote
\' single quote
\[ left square bracket
\] right square bracket
由于这种字符串只能写在一行中，因此，不可避免的要用到转义字符。加入了转义字符的串，看起来实在是不敢恭维，比如：
"one line\nnext line\n\"in quotes\", 'in quotes'"
值得注意的是，在这种字符串中，如果含有单独使用的"[["或"]]"就仍然得用"\["或"\]"来避免歧义。当然，这种情况是极少会发生的。
E. Table
关系表类型，这是一个很强大的类型。可以把这个类型看作是一个数组。只是C语言的数组，只能用正整数来作索引；在Lua中可以用任意类型来作数组的索引，除了nil。同样，在C语言中，数组的内容只允许一种类型；在Lua中也可以用任意类型的值来作数组的内容，除了nil。
Table的定义很简单，它的主要特征是用"{"和"}"来括起一系列数据元素的。比如：
T1 = {} -- 定义一个空表
T1[1]=10 -- 然后我们就可以象C语言一样来使用它了。
T1["John"]={Age=27, Gender="Male"}
这一句相当于：
T1["John"]={} -- 必须先定义成一个表，还记得未定义的变量是nil类型吗
T1["John"]["Age"]=27
T1["John"]["Gender"]="Male"
当表的索引是字符串的时候，我们可以简写成：
T1.John={}
T1.John.Age=27
T1.John.Gender="Male"
或
T1.John{Age=27, Gender="Male"}
这是一个很强的特性。
在定义表的时候，我们可以把所有的数据内容一起写在"{"和"}"之间，这样子是非常方便，而且很好看。比如，前面的T1的定义，我们可以这么写：
T1=
{
10, -- 相当于 [1] = 10
[100] = 40,
John= -- 如果你原意，你还可以写成：["John"] =
{
Age=27, -- 如果你原意，你还可以写成：["Age"] =27
Gender=Male -- 如果你原意，你还可以写成：["Gender"] =Male
},
20 -- 相当于 [2] = 20
}
看起来很漂亮，不是吗？我们在写的时候，需要注意三点：
1.所有元素之间，总是用逗号"，"隔开；
2.所有索引值都需要用"["和"]"括起来；如果是字符串，还可以去掉引号和中括号；
3.如果不写索引，则索引就会被认为是数字，并按顺序自动从1往后编；
表类型的构造是如此的方便，以致于常常被人用来代替配置文件。是的，不用怀疑，它比ini文件要漂亮，并且强大的多。
F. Function
函数，在Lua中，函数的定义也很简单。典型的定义如下：
function add(a,b) -- add 是函数名字，a和b是参数名字
return a+b -- return 用来返回函数的运行结果
end
请注意，return语言一定要写在end之前。假如你非要在中间放上一句return，那么请写成：do return end。
还记得前面说过，函数也是变量类型吗？上面的函数定义，其实相当于：
add = function (a,b) return a+b end
当你重新给add赋值时，它就不再表示这个函数了。你甚至可以赋给add任意数据，包括nil (这样，你就清除了add变量)。Function是不是很象C语言的函数指针呢？
和C语言一样，Lua的函数可以接受可变参数个数，它同样是用"…"来定义的，比如：
function sum (a,b,…)
如果想取得…所代表的参数，可以在函数中访问arg局部变量(表类型)得到。
如 sum(1,2,3,4)
则，在函数中，a = 1, b = 2, arg = {3, 4}
更可贵的是，它可以同时返回多个结果，比如：
function s()
return 1,2,3,4
end
a,b,c,d = s() -- 此时，a = 1, b = 2, c = 3, d = 4
前面说过，表类型可以拥有任意类型的值，包括函数！因此，有一个很强大的特性是，拥有函数的表，哦，我想更恰当的应该说是对象吧。Lua可以使用面向对象编程了。不信？那我举例如下：
t = {
Age = 27
add = function(self, n) self.Age = self.Age+n end
}
print(t.Age) -- 27
t.add(t, 10)
print(t.Age) -- 37
不过，t.add(t,10) 这一句实在是有点土对吧？没关系，在Lua中，你可以简写成：
t:add(10) -- 相当于 t.add(t,10)
G. Userdata 和 Thread
这两个类型的话题，超出了本文的内容，在此就不细说了。
就象C语言一样，Lua提供了相当多的标准函数来增强语言的功能。使用这些标准函数，可以很方便的操作各种数据类型，并处理输入与输出。
LuaJIT
简单地说，LuaJIT 是 Lua 这种编程语言的实时编译（JIT，Just-In-Time Compilation）器的实现。对于不太了解 LuaJIT 的读者可以将 LuaJIT 拆成 Lua 和 JIT 两个部分来理解。
Lua 是一种优雅、易于学习的编程语言，具有自动内存管理、完整的词法作用域、闭包、迭代器、协程、正确的尾部调用以及使用关联数组进行非常实用的数据处理。其设计目标是能与 C 或其它常用的编程语言相互集成，这样就可以利用其它语言已经做好的方面；而它提供的特性又恰好是 C 这类语言不太擅长的，比如相对于硬件层的高层抽象，动态的结构，简易的测试等等。其袖珍的语言内核和只依赖于 ANSI C 标准的特点，使之在各平台上的可移植性变得非常高。因此 Lua 不仅是一个可以作为独立程序运行的脚本语言，也是一个可以嵌入其它应用的嵌入式语言。但此时的 Lua 还有传统脚本语言常见的两个问题：效率低和代码暴露。而 LuaJIT 引入的 JIT 技术能够有效地解决了这两个问题。
JIT（Just-In-Time Compilation），实时编译，是动态编译的一种形式。在计算机科学中，动态编译并不是唯一的编译形式，比如现今仍然流行的 C 语言使用的就是另一种形式：静态编译。
需要指出的是，我们也常常将 C 语言的这种与动态编译相反的编译方式称为提前编译（AOT，Ahead-of-Time Compilation），但二者并不是完全对等的。AOT 仅是描述在执行程序前，将某种 “高级” 语言编译为某种 “低级” 语言的行为。其编译的目标语言并不一定特定于程序宿主机上的机器码，而是任意定义的。比如将 Java 编译为 C，或者将 JavaScript 编译为 V8 等等这些行为也会被视为 AOT。由于所有静态编译在技术上都是提前执行的，所以在这种特定的上下文中使用时，可以将 AOT 视为与 JIT 相反的静态编译。
抛开这些冗杂的名词，想到静态编译的产物，可能会发现Lua语言面临的问题也可以通过静态编译来解决。但事实上，这就丢失了 Lua 作为脚本语言的优势：热更新的灵活性和良好的平台兼容性。所以目前除了有特殊需求的脚本语言外，大部分脚本语言都在使用 JIT 尝试提高语言性能，比如 Chromium 平台上使用 V8 的 JavaScript 和使用 YJIT 的 Ruby。
JIT 尝试将 Lua 的动态解释和 C 的静态编译两者的优缺点相结合，在脚本语言的执行期间，通过不断地分析正在执行的代码片段，编译或重新编译这段代码，以得到执行效率的提升。此时，JIT 假设的目标是，由此得到的性能提升能够高于编译或重新编译这段代码的开销。理论上说，由于能够进行动态地重新编译，JIT 在此过程中，可以针对正在运行程序的特定平台架构进行优化、加速，在某些情况下，能产生比静态编译更快的执行速度。
JIT 分为传统的 Method JIT 和 LuaJIT 正在使用的 Trace JIT 两种。Method JIT 是将每一个方法（Method）翻译为机器码；而如下图所示，更先进的 Trace JIT 假定 “对只执行一两次的代码，解释执行比 JIT 编译执行要快”，以此为依据对传统 JIT 进行优化，具体表现为将频繁执行的代码片段（即热路径上的代码）认定为需要跟踪的代码，将这部分代码编译成机器码执行。
LuaJIT 的原理
LuaJIT
而 LuaJIT（2.x 版本）在 Trace JIT 的基础上，集成了使用汇编编写的高速解释器和基于 SSA 并进行优化的代码生成器后端，大幅提高了 JIT 的表现，最终使得 LuaJIT 成为最快的动态语言实现之一。即 LuaJIT 是 Lua 的实时编译器实现。
除此之外，相对于原生 Lua 中为了与 C 交互而需要编写 Lua 与 C 的繁复绑定，LuaJIT 还实现了 FFI（外部函数接口，Foreign Function Interface）。该技术允许了我们在不清楚参数个数和类型的情况下，从 Lua 代码中直接调用外部的 C 函数和使用 C 的数据结构。由此功能，我们也可以直接使用 FFI 实现所需的数据结构，而非 Lua 原生的 Table 类型，进一步在性能敏感的场景下，提升程序运行的速度。有关使用 FFI 提高性能的技巧并非本文讨论的范畴，更深入的内容可以参阅 Why Does lua-resty-core Perform Better?。
LuaJIT 在 Lua 语法的基础上，实现了迄今为止脚本语言中最快的 Trace JIT 之一，并提供了 FFI 等功能，解决了 Lua 效率低和代码暴露的问题，让 Lua 真正成为了高灵活性、高性能和超低内存占用的脚本语言和嵌入式语言。
与其它语言、WASM 的对比
相对于 Lua 和 LuaJIT，可能对其它的一些语言更加熟悉，比如 JavaScript (Node.js)，Python，Golang，Java 等。对比这些大众化的语言，可以看到更多 LuaJIT 的特性和优势，下面简单罗列一些 Lua/LuaJIT 与这些语言的对比：
1.Lua 的语法设计是针对非软件工程师所设计的。所以像 R 语言一样，Lua 也拥有数组下标从 1 开始等适合普通人的设计。
2.Lua 非常适合作为嵌入式语言。Lua 本身拥有一个轻量的 VM，而 LuaJIT 在添加各种功能和优化后，也仍然很轻量。所以相对 Node.js 和 Python 之类庞大的运行环境，LuaJIT 直接集成到 C 编写的程序中后也不会增大太多体积。因此，实际上 Lua 是所有嵌入式语言中使用量比较大且主流的选择。
3.Lua 也很适合做 “胶水” 语言。类似 JavaScript (Node.js) 和 Python，Lua 也能很好地连接不同的库和代码。但稍有不同的是，Lua 与底层生态的耦合性更高，所以在不同的领域中，Lua 的生态可能并不通用。
WASM（Web Assembly）是一种新兴的跨平台技术。这种起初设计为补充而非取代 JavaScript 的技术，因为能够将其它的语言编译成 WASM 字节码，同时还能作为安全沙箱运行代码，使得越来越多的程序也在考虑使用 WASM 作为嵌入或者胶水的平台。即便如此，Lua/LuaJIT 在对比新兴的 WASM 时，也仍然有不少优势：
1.WASM 的性能是受限的，无法达到汇编的水准。普遍场景下的性能，WASM 肯定好过 Lua，但与 LuaJIT 有所差距。
2.WASM 与宿主程序的数据传递效率比较低。而 LuaJIT 可以通过 FFI 进行高效率的数据传递。
Apache APISIX 选择 LuaJIT
尽管上文描述了 LuaJIT 自身的诸多优势，但对于大部分开发者而言，Lua 不是一门大众的语言，LuaJIT 更不是一个大众的选择。作为云原生的 API 网关，Apache APISIX 兼具动态、实时、高性能等特点，提供了负载均衡、动态上游、灰度发布、服务熔断、身份认证、可观测性等丰富的流量管理功能。可以使用 Apache APISIX 来处理传统的南北向流量，也可以处理服务间的东西向流量，还可以用作 k8s 的 Ingress Controller。而这一切都建立在 APISIX 所选择的 Nginx 和 LuaJIT 技术栈之上，带来的高性能、高灵活等特性，提供了负载均衡、动态上游、灰度发布、服务熔断、身份认证、可观测性等丰富的流量管理功能。
LuaJIT 与 Nginx 结合带来的优势
Nginx 是一个知名的高性能 HTTP、TCP/UDP 代理和反向代理的 Web 服务器。但在使用中会发现每次修改 Nginx 的配置文件后，都需要使用 nginx -s reload 重新加载配置。不仅如此，频繁地使用该命令重新加载配置可能会造成连接的不稳定，增加业务丢失的可能性；而在某些情况下，Nginx 重载配置的机制也可能会造成旧进程的回收时间过长，影响正常的业务。
Lua 5.3.0 于2015年正式发布，主要增加对整数支持、支持位操作、提供一个基本的 UTF-8 库以及对 64 位和 32 位平台的支持。
最新版本：5.4
以下是从 5.3 到 5.4 的主要变更：
新一代的垃圾回收机制
新增 to-be-closed 变量
新增 const 变量
userdata 可以具有多个用户的值
随机数生成函数 math.random 采用了新的实现方法
新增警告系统(warning system)
可对函数参数和返回值的信息进行调试
针对整数的 'for' 循环增加了新语义
针对 'string.gmatch' 增加了可选的 'init' 参数
新增 'lua_resetthread' 和 'coroutine.close' 函数
将 string-to-number 迁移至 string 库
分配函数在减少内存块时支持失败
为 'string.format' 新引入的格式 '%p'
utf8 库可接受数值最高为 2^31 的代码点(codepoint)
更多情况请查看更新说明。完整的 Lua 5.4 变更列表可以在这里找到，在此仅简单概览下其中主要的几点变化：
分代 GC
之前 Lua 采用的是 分步 GC 算法来进行垃圾回收, Lua 5.4 加入了 分代 GC 算法,值得注意的一点是, Lua 5.4 仍然支持分步 GC 算法(并且目前分步 GC 算法仍然是默认的 GC 算法),我们可以通过调用 collectgarbage 来切换当前使用的 GC 算法:
-- convert to generational gc
collectgarbage("generational")
-- convert to incremental gc
collectgarbage("incremental")
之前 collectgarbage 方法支持的两个设置“setpause”和“setstepmul”,在 Lua 5.4 中已经不再支持,目前我们需要借助“incremental”来完成相关变量的设置:
collectgarbage("incremental", pause, stepmul, stepsize)
to-be-closed (局部)变量
Lua 5.4 引入了 to-be-closed(局部)变量,机制上可类比 C# 中的 using 语句,实现了类似于 Dispose 的编程模式,只是 C# 中的 Dispose 编程模式通过 Dispose 方法来进行资源的释放,而 Lua 5.4 中的 to-be-closed (局部)变量则是使用 __close 元方法.
下面是一段示例代码,其中 tbcv 元表的 __close 元方法会在 tbcv 离开作用域的时候被调用:
local tbcmt = {
__close = function()
print("close to-be-closed var")
end
}
local function create_tbcv()
local tbcv = {}
setmetatable(tbcv, tbcmt)
return tbcv
end
do
local tbcv <close> = create_tbcv()
end
const (局部)变量
const (局部)变量只能在初始化时赋值,之后对该变量的赋值操作都会被认为是不合法的:
local cv <const> = {}
cv.name = "name"
-- error: attempt to assign to const variable
cv = {}
math.random 的重新实现
之前 Lua 中的 math.random 是基于 C 语言库函数 rand() 来实现的, 这给跨平台开发带来了一些问题,因为不同平台的 C 语言运行时对 rand() 的实现并不相同,所以会造成 rand() 返回结果不一致的问题(在各个平台间), Lua 5.4 基于 xoshiro256** 重新实现了 math.random, 继而解决了该问题.
警告系统
Lua 5.4 新添加了一个警告系统,我们可以通过 warn 函数来触发一个警告:
warn("this is a warn")
但是在 Lua 5.4 的 default 实现中,警告系统是默认关闭的,想要开启的话,需要在 C 语言侧调用 lua_warning 来进行开启:
lua_warning(L, "@on", 0);
当然,我们也可以通过调用 lua_setwarnf 来替换 Lua 5.4 的 default 实现:
void lua_setwarnf (lua_State *L, lua_WarnFunction f, void *ud);
undef ?
Lua 5.4 初期还支持 undef 关键字,用以解决不能给 table 元素进行 nil 赋值的问题(有兴趣的朋友可以自行搜索相关细节),该特性引起了不少争论,后面 Lua 5.4 去除了对该特性的支持.
官方主页：http://www.lua.org/
该文章最后由 阿炯 于 2023-12-06 09:30:02 更新，目前是第 4 版。