Lua語言可研究的東西真是多，各種機制原理：與宿主語言（下文均指C/C++）的交互、內存管理（垃圾回收）、虛擬機實現、協程、閉包、異常捕獲機制等。如取其一進行研究，要吃透還是需要點時間和精力。相信只要一點點慢慢啃，終究還是會將其吸收。
以下的相關原理介紹是基于Lua-5.1.5版本的源碼，不排除與之后版本的源碼中有少部分差異存在，但基本原理應該相同。
lua_State是Lua語言中的一種基本類型，類似TString，Table等，主要用來管理一個lua虛擬機的執行環境，一個lua虛擬機可以有多個執行環境，lua_State最主要的功能就是用于函數調用以及和C/C++的交互。
主要功能包括：
1. 數據棧管理，包括交互過程中參數壓棧和出棧、函數注冊的臨時數據存儲等。
2. 調用棧管理，其中CallInfo結構表示一次調用，包括指向數據棧中數據邊界指針top和base、被調用函數指針func。
3. 全局表l_gt管理，注意：它其實只是在當前lua_State范圍內是全局唯一的，和global_State的l_registry注冊表不同，l_registry是lua虛擬機范圍內是全局唯一的。
4. gc的一些管理和當前棧中upvalue的管理（出現閉包應用場景時）。
5. hook相關的，包括hookmask，hookcount，hook函數等（暫未了解）。
以上1、2點是Lua與C/C++交互時操作最頻繁的步驟，因此整理數據棧和調用棧的操作流程是理解交互的重中之重。
Lua 虛擬機全局狀態的存儲的地方，管理lua虛擬機的全局環境，所有的lua_State共享這個全局狀態，由于Lua被設計為單線程的，所以global_State上的狀態控制沒有考慮多線程問題。主要功能可分為：內存分配策略、全局字符串hashtable管理、注冊表、gc管理、lua_State集合管理、元表管理（暫時尚未知用來干嘛）等。
最后記住一條：一個Lua虛擬機有且只有一個global_State對象，一個進程中允許多個Lua虛擬機同時運行。運行形態例如下圖所示：
Lua的API中提供了宏lua_open()用于啟動一個Lua虛擬機，之所以起了這個名，估計是為了與lua_close()對應，open、close看著就知道明顯是一對。
啟動Lua虛擬機的過程總結成一句話就是：構造global_State、lua_State對象，并初始化。具體包括以下幾個步驟：
1、通過內存分配策略（l_alloc）分配兩個對象（global_State、lua_State）大小的內存空間。
2、初始化lua_State對象，例如：類型設置、數據棧空間分配（45*TValue）、調用?？臻g分配（8*CallInfo）等。
3、初始化global_State對象，例如：主lua_State設置、內存分配方法、全局字符串表等。
4、加載所有標準庫到Lua虛擬機執行環境中，實際操作就是將各種庫提供庫函數通過現有的注冊機制注冊到當前lua_State的l_gt中，之后Lua腳本中就可以直接調用注冊過的庫函數。
Lua現在支持的庫有：協程庫、表操作庫、io庫、系統庫、string庫、math庫、debug庫、包處理庫，以string庫為例：
static const luaL_Reg strlib[] =
{
{"byte", str_byte},
{"char", str_char},
{"dump", str_dump},
{"find", str_find},
{"format", str_format},
{"gmatch", gmatch},
{"gsub", str_gsub},
{"len", str_len},
{"lower", str_lower},
{"match", str_match},
{"rep", str_rep},
{"reverse", str_reverse},
{"sub", str_sub},
{"upper", str_upper},
{"pack", str_pack},
{"packsize", str_packsize},
{"unpack", str_unpack},
{NULL, NULL}
};
luaL_register(L, LUA_STRLIBNAME, strlib); //注冊函數
經過以上若干步驟后，lua虛擬機執行環境已準備就緒，宿主語言就可以和lua腳本進行相互調用。
與宿主語言交互時的棧主要涉及兩個，為了方便理解，暫且將它歸納為：DataStack和CallStack，其中棧操作指針變量均是lua_State的成員，DataStack可以理解為交互數據的實際存儲地，而CallStack中記錄著每次調用需要的數據在DataStack中的地址范圍，具體如下：
// DataStack
typedef Tvalue*StkId;
StkId top; /* first free slot in the stack (棧頂指針) */
StkId base; /* base of current function (當前調用幀所在DataStack中的棧底) */
StkIdstack_last; /* last free slot in thestack (?？臻g的上邊界) */
StkIdstack; /* stack base (?？臻g的下邊界，即棧底)*/
// CallStack
CallInfo*ci; /* call info for current function (當前調用幀)*/
CallInfo *end_ci; /* points after end of ci array (調用?？臻g的上邊界)*/
CallInfo*base_ci; /* array of CallInfo's (調用?？臻g的下邊界，即棧底)*/
根據以上分類，清楚可知：在Lua和宿主語言交互時，實際就是這些指向棧的指針不停被更新的過程。下圖描述了Lua虛擬機啟動后，兩個棧原始狀態的直觀感覺：
在了解完以上所有前提知識點后，從一次C++調用Lua方法的示例入手理解，逐步深入其中的棧操作過程，調用示例如下：
lua_settop(L,0);
lua_getglobal(L,“lua_Function”); //假設lua腳本中有一個名為lua_Function的方法
if( lua_pcall(L, 0, LUA_MULTERT, 0) )
{
/* 調用錯誤，從(L->top) + index的棧中取出錯誤信息，然后pop掉該棧幀*/
}
else
{
/* 調用正確，從(L->base) +(index – 1)的棧中取出返回信息，然后pop掉該棧幀 */
}
分解步驟：
(1)、lua_settop(L,0)： 調整DataStack中top、base兩個指向棧的指針值，使L->top== L->base，指向統一棧幀位置，屬于調用的前期準備。
(2)、lua_getglobal(L,“lua_Function”)：獲取lua腳本中被調用方法“lua_Function”，并將其壓入DataStack，此時L->base指向剛入棧棧幀，L->top + 1。檢索“lua_Function”的步驟：
1). 計算“lua_Function”字符串的哈希值，然后與global_state的stringtable中匹配出該哈希值下的所有字符串對象所在的沖突鏈表，遍歷鏈表查詢是否存在“lua_Function”，存在則直接返回值，否則臨時構造TString對象并返回；
2).根據返回的字符串對象從lua_State的l_gt(所有函數的注冊地)中匹配出該函數名對
應的函數對象；
3). 將以上檢索出來的函數對象壓入DataStack。
(3)、如果調用的lua_Function方法有參數，則繼續向DataStack壓棧，L->top+ nArgs，nArgs為參數個數，L->base則繼續指向被調用方法lua_Function所在的棧位置。
(4)、lua_pcall(L,nArgs, LUA_MULTERT, nRets)：開始調用lua方法，在到達真正調用那一步前，需要有以下子操作：
1). 計算此前入棧的lua_Function所在棧位置：func=L->top–(nArgs+1)，為何不直接
用L->base?
2). 更新L->base的值，L->base = func+ 1；
3). 更新CallStack中指向當前調用棧幀的L->ci，包括: ++ci、ci->base= L->base、
ci->top=L->base+nArgs、ci->func=func、ci->nresults=nresults等；
4). 解釋執行lua_Fucntion函數腳本，該部分涉及Lua虛擬機具體如何實現解釋執
行相關機制，此處暫不作過多說明。只需記住一點，執行過程中會將DataStack之前壓
入的參數逐一彈出。
(5)、步驟(4)中如果出現遞歸調用非C函數（lua腳本函數），則重復步驟(4)；如果遞歸調用已注冊的C函數，則會觸發更新L->ci值操作（類似步驟(4)的第二步子操作），然后重復進入步驟(1)開始新的交互流程。
(6)、最后將返回值壓入DataStack中，根據返回值個數逐一將其取出，然后pop掉。
下圖表示Lua和宿主語言進行多層調用時的DataStack和CallStack的狀態圖：
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