Zig Lua VM Closure 实现

这是我用 Zig 研究 Lua VM 的实验性代码和我理解的内容整理出的文档。

项目简介

本项目包含了一个简化的 Lua 虚拟机实现，重点关注闭包（Closure）和 Upvalue 机制。通过这个项目，你可以深入理解：

• Lua 闭包的工作原理
• Upvalue 的 Open/Close 状态转换
• 多个闭包如何共享同一个变量
• 嵌套闭包如何正确继承 Upvalue
• 虚拟机层面的内存管理

项目结构

.
├── src/
│   └── main.zig          # VM 实现代码
├── docs/
│   └── lua_closure_princple.md  # 详细的原理文档
├── build.zig              # Zig 构建配置
└── README.md              # 本文件

快速开始

前置要求

• Zig 0.11.0 或更高版本

编译和运行

# 编译
zig build

# 运行
zig build run

预期输出

=== Lua Closure Demo ===
RETURN: <closure 0x...>
RETURN: 1
RETURN: 2
RETURN: <closure 0x...>
RETURN: 1

文档

详细的原理说明请查看 docs/lua_closure_princple.md。

该文档从零开始解释了：

1. 闭包要解决什么问题：为什么需要闭包机制
2. 基本结构：Proto、Closure、Upvalue 的关系
3. Open/Close 机制：变量如何从栈迁移到堆
4. 完整例子追踪：通过计数器例子一步步追踪内存变化
5. 多个闭包共享：如何实现变量共享
6. Zig 代码实现：核心代码的详细解释

核心概念

Closure（闭包）

闭包 = 函数代码（Proto）+ 捕获的变量（Upvalue）

const ObjClosure = struct {
    proto: *ObjProto,        // 函数代码（编译期生成）
    upvalues: []?*ObjUpvalue, // 捕获的外部变量（运行期创建）
};

Upvalue（上值）

被闭包捕获的外部变量，有两种状态：

• Open 状态：变量还在栈上，Upvalue 指向栈
• Close 状态：变量已复制到堆上，Upvalue 指向自己的存储

关键机制

1. 延迟迁移：变量默认在栈上，只在函数返回时才复制到堆
2. 指针抽象：通过 location 指针，访问代码无需关心状态
3. 共享优化：多个闭包捕获同一变量时，共享同一个 Upvalue 对象

代码特点

这是一个教学导向的 VM，为了专注于闭包机制，做了以下简化：

• 单文件实现，便于阅读
• 简化的调用/返回约定
• 简化的 GC 实现（仅保留必要的对象）
• 只实现了 Lua 的一个小子集

许可证

本项目仅用于学习和研究目的。

参考

• Lua 5.4 源码
• Zig 官方文档