Lua 整数类型

Question

我真的需要 Lua 中有一个整数类型。

我所说的整数类型是指定义常用运算符（/ * + 等）并表现得像整数的类型，内部表示并不重要。

用表做这样的事情非常简单，问题是，我尝试过，并且性能非常差（当然）。这是我的部分实现：

function num_op(a, b, calc_func)
    local atype = pytype(a)
    local btype = pytype(b)
    local a_val, b_val

    a_val = (atype == "Integer" or atype == "Double") and a[1] or a
    b_val = (btype == "Integer" or btype == "Double") and b[1] or b
    val = calc_func(a_val, b_val)

    if atype == "Integer" and btype == "Integer" then
        return Integer:create(val)
    else
        return Double:create(val)
    end
end

numeric_mt = { 
    __add = function(a, b)
        return num_op(a, b, function(a,b) return a + b end)
    end,

    __sub = function(a, b)
        return num_op(a, b, function(a,b) return a - b end)
    end,

    __div = function(a, b)
        return num_op(a, b, function(a,b) return a / b end)
    end,

    __mul = function(a, b)
        return num_op(a, b, function(a,b) return a * b end)
    end,

    __tostring = function(a)
        return tostring(a[1])
    end
}

-----------------------------
-- Integer type definition --
-----------------------------

Integer = {}
Integer_mt = table.copy(numeric_mt)
Integer_mt["__index"] = Integer

function Integer:create(value)
    local new_inst = {math.floor(value)}
    setmetatable(new_inst, Integer_mt)
    return new_inst
end

function Integer:className()
    return "Integer"
end

我收集到的主要性能损失是（当然）大量的分配。 LuaJit 能够很好地优化运算符函数，但不能优化元表分配。

有人认为使用自定义 c 实现和 userdata 可以做得更好吗？或者我所追求的东西是不可能实现的？

注意：我知道 lua 没有整数。我也知道我可以使用数学库获得相同的结果。我想要的是使用整数时完全透明度，除了创建阶段。

编辑：我将在此处添加额外的信息，以便一切仍然集中

@Mud：我需要在某种程度上以与 python/ruby/ 中相同的方式进行透明混合算术等，但具有尽可能最佳的性能。我使用 luaJIT 作为编译器的目标，并使用常规 Lua 作为 luaJIT 不支持的平台的后备。这对于性能特征非常重要。

这意味着我希望能够做到这一点：

a = int(5) -- Integer value
b = int(2) -- Another Integer
c = 2      -- Double
d = a / b  -- == 2 , integer arithmetics
e = a / c  -- == 2.5, floating point arithmetics

通过上面所示的实现，我可以达到某个程度。问题是我正在减慢对每个数字的操作，因为常规数字也被装箱。我可以使用调试库重载数字元表，但

• 我不知道此功能在生产质量软件中使用有多可靠
• 它仍然会降低数字的性能，因为能够拥有统一的数字接口，我将不得不使用 (number):get()，这在任何情况下都会减慢操作速度。

昨晚我用 C 语言实现了自己的 Integer 实现。问题是，虽然它比我在常规 lua 中的天真实现有了改进，并且也比对 math.floor 的内联调用有了改进，但在使用 LuaJIT 时就不太清楚了，其中内联调用仍然很多 比 C 实现更快。

另一种解决方案是始终使用未装箱的数字，并在编译器中使用某种类型传播来跟踪整数，并在需要时对它们使用适当的内联操作，但该解决方案的复杂性要大得多，并且有点破坏了整体使用 Lua/LuaJIT 作为后端的目的。

我将尝试你的实现，但我怀疑它会比 LuaJIT 中的内联调用更好。我所追求的目标（同时具有双精度和整数的透明操作，以及接近 luaJIT 上的内联调用的性能）很可能是完全不可能的。非常感谢您的帮助。

@miky：谢谢，这看起来不错，但我怀疑我可以用它来修补 luaJIT，如果我不能，它就会失去我的目标的所有兴趣。

Answer 1

为什么你需要它们？帮助您找到问题的高效解决方案的最佳方法是了解问题。您具体需要整数做什么？

我收集到的主要性能损失（当然）是大量的分配。

好吧，你在每个操作上创建闭包，而且我根本不明白为什么你有一个 Double 类，因为 Lua 的数字类型已经是 double 了。你就不能做这样的事吗？

Integer = {}
local function val(o) return type(o) == 'number' and o or o[1] end
function Integer.__add(a,b) return Integer:create(val(a) + val(b)) end
function Integer.__sub(a,b) return Integer:create(val(a) - val(b)) end
function Integer.__div(a,b) return Integer:create(val(a) / val(b)) end
function Integer.__mul(a,b) return Integer:create(val(a) * val(b)) end
function Integer:__tostring() return tostring(self[1]) end
function Integer:create(value)
   return setmetatable({math.floor(value)}, Integer)
end


-- test
a = Integer:create(15.34)
b = Integer:create(775.34433)
print((a*10/2+b-3)/3*a+b) --> 5005

有人认为使用自定义 C 实现和用户数据可以做得更好吗？

是的，C 实现应该更快，因为您不需要为每个 Integer 创建一个表；您的用户数据实际上可能只是一个int*。这也将消除对floor调用的需要。

编辑：我编写了一个 测试 C 实现，它比本文中介绍的 Lua 实现快约 5 倍。

编辑2：到C代码的链接已经死了，所以这是我在硬盘中发现的一些代码，它们可能是也可能不是该链接处的代码。我知道它是针对 Lua 5.1 编译的，但除此之外......不知道它是否是技术上有效的实现。自从我写任何 Lua C 代码以来已经太久了。

#include <math.h>
#include "lua.h"
#include "lauxlib.h"

/* get value of Integer userdata or Lua number at index, or die */
static int checkintX (lua_State *L, int index) {
   int result = 0;
   if (lua_isuserdata(L, index) && luaL_checkudata(L, index, "integer")) {
      result = *(int*)lua_touserdata(L, index);
   } else if (lua_isnumber(L, index)) {
      double val = lua_tonumber(L, index);
      int x = (int) val;
      result = (int) lua_tonumber(L, index);
   } else {
      lua_pushstring(L, "Invalid operand. Expected 'integer' or 'number'");
      lua_error(L);
   }
   return result;
}

static int checkint(lua_State* L, int index) {
   int result = checkintX(L, index);
   return result;
}

static int create_integer(lua_State* L, int val) {
   int* ud = lua_newuserdata(L, sizeof(int));
   *ud = val;
   luaL_getmetatable(L, "integer");
   lua_setmetatable(L, -2);
   return 1;
}

static int int_new (lua_State* L) { return create_integer( L, checkint(L,1) ); }
static int int_add (lua_State* L) { return create_integer( L, checkint(L,1) + checkint(L,2) ); }
static int int_sub (lua_State* L) { return create_integer( L, checkint(L,1) - checkint(L,2) ); }
static int int_mul (lua_State* L) { return create_integer( L, checkint(L,1) * checkint(L,2) ); }
static int int_div (lua_State* L) { return create_integer( L, checkint(L,1) / checkint(L,2) ); }
static int int_mod (lua_State* L) { return create_integer( L, checkint(L,1) % checkint(L,2) ); }
static int int_pow (lua_State* L) { return create_integer( L, (int) pow( checkint(L,1), checkint(L,2) ) ); }
static int int_unm (lua_State* L) { return create_integer( L, -checkint(L,1) ); }
static int int_eq  (lua_State* L) { lua_pushboolean( L, checkint(L,1) == checkint(L,2) ); return 1; }
static int int_lt  (lua_State* L) { lua_pushboolean( L, checkint(L,1) <  checkint(L,2) ); return 1; }
static int int_le  (lua_State* L) { lua_pushboolean( L, checkint(L,1) <= checkint(L,2) ); return 1; }
static int int_tostring (lua_State* L) {
   lua_pushnumber(L, checkint(L,1));
   lua_tostring(L, -1);
   return 1;
}

int __declspec(dllexport) __cdecl luaopen_integer (lua_State* L) {
   static const struct luaL_reg integermt[] = {
      { "__add", int_add },
      { "__sub", int_sub },
      { "__mul", int_mul },
      { "__div", int_div },
      { "__mod", int_mod },
      { "__pow", int_pow },
      { "__unm", int_unm },
      { "__eq",  int_eq  },
      { "__lt",  int_lt  },
      { "__le",  int_le  },
      { "__tostring", int_tostring},
      NULL, NULL
   };
   luaL_newmetatable(L, "integer");
   luaL_openlib(L, NULL, integermt, 0);

   lua_register(L, "int", int_new);

   return 0;
}

Answer 2

Lua 5.3 中刚刚添加了整数（默认为 64 位）！

http://www.lua.org/versions.html#5.3

Answer 3

如果您想要仅处理整数，您可以随时在luaconf.h中#define LUA_NUMBER int。

Answer 4

您可以尝试 http://www. 列出的任意精度库之一。 tecgraf.puc-rio.br/~lhf/ftp/lua/ 。特别是， lbn 仅是整数并且速度很快，但是你需要 OpenSSL。对于简单的独立库，请参阅 lbc。

Answer 5

您可以尝试 LNUM 补丁，它修改 Lua 核心以添加整数数字类型，例如 32 和 64位整数和双精度数。它还支持复数。