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Lua性能优化技巧(二):基本事实

程序员文章站 2022-08-29 22:09:58
在运行任何代码之前,lua都会把源代码翻译(预编译)成一种内部的格式。这种格式是一个虚拟机指令序列,与真实的cpu所执行的机器码类似。之后,这个内部格式将会被由一个包含巨大...

在运行任何代码之前,lua都会把源代码翻译(预编译)成一种内部的格式。这种格式是一个虚拟机指令序列,与真实的cpu所执行的机器码类似。之后,这个内部格式将会被由一个包含巨大的switch结构的while循环组成的c代码解释执行,switch中的每个case对应一条指令。

可能你已经在别处了解到,从5.0版开始,lua使用一种基于寄存器的虚拟机。这里所说的虚拟机“寄存器”与真正的cpu寄存器并不相同,因为后者难于移植,而且数量非常有限。lua使用一个栈(通过一个数组和若干索引来实现)来提供寄存器。每个活动的函数都有一个激活记录,也就是栈上的一个可供该函数存储寄存器的片段。因此,每个函数都有自己的寄存器[1]。一个函数可以使用最多250个寄存器,因为每个指令只有8位用于引用一个寄存器。

由于寄存器数目众多,因此lua预编译器可以把所有的局部变量都保存在寄存器里。这样带来的好处是,访问局部变量会非常快。例如,如果a和b是局部变量,语句

复制代码 代码如下:

a = a + b

将只会生成一个指令:
复制代码 代码如下:

add 0 0 1

(假设a和b在寄存器里分别对应0和1)。作为对比,如果a和b都是全局变量,那么这段代码将会变成:
复制代码 代码如下:

getglobal 0 0 ; a
getglobal 1 1 ; b
add 0 0 1
setglobal 0 0 ; a

因此,可以很简单地得出在lua编程时最重要的性能优化方式:使用局部变量!

如果你想压榨程序的性能,有很多地方都可以使用这个方法。例如,如果你要在一个很长的循环里调用一个函数,可以预先将这个函数赋值给一个局部变量。比如说如下代码:

复制代码 代码如下:

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

比下面这段要慢30%:
复制代码 代码如下:

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

访问外部局部变量(或者说,函数的上值)没有直接访问局部变量那么快,但依然比访问全局变量要快一些。例如下面的代码片段:

复制代码 代码如下:

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

print(foo(10))


可以优化为在foo外声明一次sin:

复制代码 代码如下:

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

print(foo(10))


第二段代码比前者要快30%。

尽管比起其他语言的编译器来说,lua的编译器非常高效,但是编译依然是重体力活。因此,应该尽可能避免运行时的编译(例如使用loadstring函数),除非你真的需要有如此动态要求的代码,例如由用户输入的代码。只有很少的情况下才需要动态编译代码。

例如,下面的代码创建一个包含返回常数值1到100000的若干个函数的表:

复制代码 代码如下:

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

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


执行这段代码需要1.4秒。

通过使用闭包,我们可以避免使用动态编译。下面的代码只需要十分之一的时间完成相同的工作:

复制代码 代码如下:

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