Lua性能優化技巧[二 基本事實]

原作者 Roberto Ierusalimschy

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目錄

一 前言

二 基本事實

三 關於表

四 關於字符串

五 削減、重用與回收

六 最后的提示

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在運行任何代碼之前，Lua都會把源代碼翻譯（預編譯）成一種內部的格式。這種格式是一個虛擬機指令序列，與真實的CPU所執行的機器碼類似。之后，這個內部格式將會被由一個包含巨大的switch結構的while循環組成的C代碼解釋執行，switch中的每個case對應一條指令。

可能你已經在別處了解到，從5.0版開始，Lua使用一種基於寄存器的虛擬機。這里所說的虛擬機“寄存器”與真正的CPU寄存器並不相同，因為后者難於移植，而且數量非常有限。Lua使用一個棧（通過一個數組和若干索引來實現）來提供寄存器。每個活動的函數都有一個激活記錄，也就是棧上的一個可供該函數存儲寄存器的片段。因此，每個函數都有自己的寄存器[1]。一個函數可以使用最多250個寄存器，因為每個指令只有8位用於引用一個寄存器。

由於寄存器數目眾多，因此Lua預編譯器可以把所有的局部變量都保存在寄存器里。這樣帶來的好處是，訪問局部變量會非常快。例如，如果a和b是局部變量，語句

a = a + b

將只會生成一個指令：

ADD 0 0 1

（假設a和b在寄存器里分別對應0和1）。作為對比，如果a和b都是全局變量，那么這段代碼將會變成：

GETGLOBAL 0 0 ; a
GETGLOBAL 1 1 ; b
ADD 0 0 1
SETGLOBAL 0 0 ; a

因此，可以很簡單地得出在Lua編程時最重要的性能優化方式：使用局部變量！

如果你想壓榨程序的性能，有很多地方都可以使用這個方法。例如，如果你要在一個很長的循環里調用一個函數，可以預先將這個函數賦值給一個局部變量。比如說如下代碼：

for i = 1, 1000000 do
    local x = math.sin(i)
end

比下面這段要慢30%：

local sin = math.sin
for i = 1, 1000000 do
    local x = sin(i)
end

訪問外部局部變量（或者說，函數的上值）沒有直接訪問局部變量那么快，但依然比訪問全局變量要快一些。例如下面的代碼片段：

function foo (x)
    for i = 1, 1000000 do
        x = x + math.sin(i)
    end
    return x
end

print(foo(10))

可以優化為在foo外聲明一次sin：

local sin = math.sin
function foo (x)
    for i = 1, 1000000 do
        x = x + sin(i)
    end
    return x
end

print(foo(10))

第二段代碼比前者要快30%。

盡管比起其他語言的編譯器來說，Lua的編譯器非常高效，但是編譯依然是重體力活。因此，應該盡可能避免運行時的編譯（例如使用loadstring函數），除非你真的需要有如此動態要求的代碼，例如由用戶輸入的代碼。只有很少的情況下才需要動態編譯代碼。

例如，下面的代碼創建一個包含返回常數值1到100000的若干個函數的表：

local lim = 10000
local a = {}
for i = 1, lim do
    a[i] = loadstring(string.format("return %d", i))
end

print(a[10]()) --> 10

執行這段代碼需要1.4秒。

通過使用閉包，我們可以避免使用動態編譯。下面的代碼只需要十分之一的時間完成相同的工作：

function fk (k)
    return function () return k end
end

local lim = 100000
local a = {}
for i = 1, lim do a[i] = fk(i) end

print(a[10]()) --> 10

 

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[1] 這與在一些CPU上可以找到的寄存器窗口(register window)類似。

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