工程哲学：Roberto Ierusalimschy

核心要点

• 他设计的脚本语言，藏身于你日常接触的海量软件之中。 Roberto Ierusalimschy 主导了 Lua 的设计。这门语言于 1993 年诞生于 PUC-Rio 的 Tecgraf 实验室，与他一同设计的还有 Luiz Henrique de Figueiredo 和 Waldemar Celes。它驱动着《魔兽世界》、《Roblox》（通过其 Luau 方言）、《Dota 2》和《Garry’s Mod》中的游戏逻辑，为 Redis 和 nginx（通过 OpenResty）编写脚本，支撑着 Adobe Lightroom 和 Wireshark，甚至嵌入到底层连操作系统都没有的机器人当中。¹²⁷
• 提供机制，而非政策。 Lua 最具标志性的选择是一种拒绝——它不附带类系统，不附带对象模型，也不附带任何范式。它只给你少数几样强大而通用的机制（表、元表、协程），让你在此之上构建自己的抽象。设计者们写道：”Lua 不会把任何对象或类模型强加给程序员”；相反，他们”提供灵活的机制”，让你能够构建任何适合应用的模型。³
• 小巧是一种特性，而非局限。 参考实现既精简又干净——Lua 5.1 的源码约为 17,000 行 C 代码，整个发行版可以装进一张软盘，构建出的解释器约为 143 KB。大多数脚本语言要大上一个数量级；Lua 之所以保持小巧，正是因为它被设计为可嵌入，而简洁正是小而快的实现得以成立的前提。³
• 可移植性与可嵌入性从第一天起就是设计目标。 Lua 用”干净的 C”——即 C 与 C++ 的交集——编写，”在大多数平台上开箱即可编译”，从 Linux、Windows 到掌上设备和微控制器无不如此。一套定义明确的 C API 让宿主程序得以完全掌控并扩展它，这也正是游戏行业将其奉为准标准的原因。³⁴

核心原则

“我们不想把 Lua 变成一门面向对象的语言，因为我们不想为 Lua 固定某种编程范式……Lua 不会把任何对象或类模型强加给程序员。相反……我们决定提供灵活的机制，让程序员能够构建任何适合应用的模型。”——Roberto Ierusalimschy、Luiz Henrique de Figueiredo 和 Waldemar Celes，The Evolution of Lua³

大多数语言设计都是政策的层层累积。一个团队决定对象应该这样工作、错误处理应该那样呈现、并发意味着线程、异步抑或 actor——然后把这些决定烘焙进语言之中，于是用它写出的每个程序都继承了这些选择。这些决定通常合情合理。问题在于，它们终归是决定，由一群无从了解你应用场景的人，一次性替所有人做出。Ierusalimschy 的直觉恰恰相反。Lua 不替你做决定，而是把一小组通用机制交到你手里，然后让开，让你去构建问题真正需要的政策。³

最清晰的例子莫过于面向对象。20 世纪 90 年代初，面向对象编程的炒作正值顶峰，用户敦促 Lua 团队加入类和继承。他们拒绝了——并非因为 OOP 是错的，而是因为对一门要嵌入到千差万别应用中的语言来说，固定某一种模型才是错的。他们的理由是，对象和类”如有需要，用表就能实现”，因为表既能存放数据又能存放方法，而函数是一等值。³ 于是，他们没有去做对象系统，而是构建了可扩展的语义——一种让你能介入表行为方式的机制——并让用户自行拼装出继承、默认值、只读视图乃至完整的类层级。他们写道：”可扩展语义已成为 Lua 的一大标志”，而且”直到今天我们都没有改变主意”。³

这种拒绝之所以负担得起，全靠另外三项与之相伴的承诺。简洁——语言保持得足够小，机制因而可理解，实现也因而正确。以小巧为特性——整个参考实现约为 17,000 行干净的 C 代码，小到把 Lua 加进应用”不会让它臃肿”。³ 还有可移植性——用 C 与 C++ 的交集来编写，意味着同一份源码无论在超级计算机还是传感器上都能编译。³ 给人们几根锋利而通用的操纵杆，而不是一柜子预先设定好的按钮，并把整个东西保持得足够小，随处都能带着走。 这就是那个原则，而 Lua 中其余的一切都是它的推论。

背景

Roberto Ierusalimschy 于 1960 年 5 月 21 日生于里约热内卢，他的整个职业生涯都紧贴着同一个机构——里约热内卢天主教大学（PUC-Rio）。他于 1990 年在那里取得计算机科学博士学位，如今是该校的信息学正教授。他曾在滑铁卢大学做博士后研究，也曾在斯坦福担任访问教授，但 PUC-Rio 才是他的根，而 Lua 的故事与那里的一间特定实验室密不可分。⁵

那间实验室就是 Tecgraf，即计算机图形技术组，成立于 1987 年，专为工业客户开发软件工具——其中最大的客户之一，当年是、如今仍是巴西石油公司 Petrobras。³ Lua 的起源，某种程度上是一个关于巴西贸易政策的故事。从 1977 年到 1992 年，巴西对计算机硬件和软件维持着严厉的贸易壁垒政策——所谓的”市场保留”，其背后是一种民族主义信念：这个国家能够、也应当自建产业。在这种氛围下，Tecgraf 的客户”无论从政治上还是财务上都负担不起从国外购买定制软件”。购买外国工具意味着要走一套”繁复的官僚流程，以证明本国公司无法满足其需求”。这些限制，再加上巴西与其他研究中心在地理上的隔绝，”促使 Tecgraf 从零开始实现自己所需的基础工具”。³ 用设计者自己的话说，Lua 是”唯一一门诞生于发展中国家却取得全球影响力的语言”。³

在 Lua 之前，先有两门小语言，都是为 Petrobras 而建的。DEL——“数据录入语言”（data-entry language）——能生成图形化前端，让工程师可以通过在图示上点击来输入模拟器参数，而不必去编辑一列列数字。³ SOL——“简单对象语言”（Simple Object Language）——则是一门用于报表生成器的配置语言，其类型声明语法受到 BibTeX 的影响。³ 到 1993 年初，两者都已超出各自最初的范畴；DEL 的用户想要真正的控制流，而 SOL 需要过程式的能力。1993 年年中，Ierusalimschy、de Figueiredo 和 Celes 得出结论：这两者可以由一门更强大的单一语言取而代之——于是 Lua 团队就此诞生。³ 这个名字是个流传下来的小玩笑。SOL 在葡萄牙语中意为”太阳”；Tecgraf 的一位朋友 Carlos Henrique Levy 建议把它的继任者叫做 ‘Lua’——葡萄牙语中的”月亮”。³ 到 1993 年 7 月，Waldemar Celes 完成了第一个实现，它作为一个由 Ierusalimschy 指导的课程项目构建而成，遵循极限编程的信条：”可能行得通的最简单的东西”。³

这项工作

表与元表：一种数据结构，一种机制

就从表说起，因为它是整门语言的缩影。Lua 只提供一种数据组织机制——表，也就是它对关联数组的称呼——而这一种结构就承担了记录、数组、集合、列表、模块和对象的全部活计。³ 设计者们指出：”虽然大多数脚本语言都提供关联数组，但没有哪门语言让关联数组扮演如此核心的角色。”³ 记录是以字段名为键的表；数组是以整数为键的表；对象则是恰好同时存放数据和方法的表。一种机制，多种用途——这正是把”提供机制，而非政策”的赌注应用到数据上的结果。

让表变得可编程的那根操纵杆，是元表。通常，查找一个表中不存在的键会返回 nil。但你可以给表赋予一个元表——第二张表，用来描述第一张表在异常情况下应当如何表现。其中最重要的条目是 __index：当查找落空时，Lua 会去查阅元表的 __index，而它可以指向另一张表，接着去那里继续查找。把这些串联起来，你就得到了完全用表和单次重定向搭建出的继承。同一套机制，换用不同的元方法，就能带来运算符重载、默认值、只读代理和惰性字段。这些都不是通常意义上的语言特性——全都是同一种机制，只是以不同的形态被使用。³

这套机制并非一蹴而就——它的演进本身就是一堂关于克制的课。它最初在 Lua 2.1（1995）中以”回退”（fallbacks）的形式出现：当某个操作被施加于”错误”类型的值时，Lua 会调用这些钩子，让程序员来决定接下来发生什么。³ 表索引回退让 userdata 和其他值”表现得像表一样”，从而支持”多种形式的继承（通过委托实现）”。³ 回退是全局的——每个事件只有一个钩子——这使得它在多个库之间共享起来很别扭，于是 Lua 3.0（1997）用按类型划分的”标签方法”（tag methods）取而代之，而 Lua 5.0（2003）则把一切统一为元表和元方法，也就是 Lua 沿用至今的形态。（”元表”这个术语由 Rici Lake 于 2001 年提出。）³ 每一步都是在泛化这套机制，而非堆砌新特性——正是这种直觉，让这门语言始终拒绝附带类系统。

可嵌入性、C API，以及游戏为何选择了 Lua

Lua 其实并不打算做一门独立语言。设计者们称它为“可扩展的扩展语言”——说它是扩展语言，是因为它通过配置和脚本来扩展宿主应用；说它可扩展，是因为它反过来又能用 C 函数来扩展。³ 枢纽在于一套定义明确的 C API，它”允许 Lua 代码与外部代码之间充分通信”，并围绕一个干净的栈隐喻来构建，用以在 Lua 与宿主之间来回传递值。这套 API 不仅让 Lua 能与 C 和 C++ 对接，还能通过它们与 Fortran、Java、C# 等完全不同的语言对接。³

回报在游戏领域如约而至，而这个故事很具体。1997 年 1 月，LucasArts 冒险游戏《Grim Fandango》的首席程序员 Bret Mogilefsky 告诉 Lua 团队，他已经用 Lua 替换了游戏自研的脚本语言，而且”游戏中极大一部分都是用 Lua 写成的”。³ Mogilefsky 在一次游戏开发者大会的圆桌讨论上谈起了它，从那以后，”Lua 在游戏开发者之间口耳相传，成为游戏行业里一项实打实有市场价值的技能”。³ 这种契合是结构性的。游戏引擎恰恰是那种能从嵌入式脚本层中获益的宿主——繁重的活计（渲染、物理）留在快速的 C++ 里，而游戏逻辑、任务和行为则存活在小巧的 Lua 脚本中，设计师无需重新编译引擎就能编辑并重新加载它们。小巧、快速、可移植、可嵌入，恰是游戏所需的特质，而 Lua 从第一个版本起就是为此而生的。³⁴

协程，以及一个小而快的实现

第三大机制是协程——和 OOP 一样，它是团队对某种政策的有意拒绝。整个 20 世纪 90 年代后期，用户都在推动多线程，而显而易见的做法是采用标准的抢占式、共享内存线程模型。Lua 团队拒绝了，理由有二：在 C 中实现抢占式线程需要”不属于 ANSI C”的原语，这会破坏 Lua 的可移植性；而更根本的是，”我们当时不相信（如今仍然不相信）标准的多线程模型”，在那种模型里，”没人能在一门 ‘a=a+1’ 都不确定的语言里写出正确的程序”。³ 于是，他们没有提供线程，而是在 Lua 5.0（2003）中提供了协程：一种用于协作式、非抢占式多任务的机制，函数可以挂起自身，之后再从它离开的地方精确地恢复执行。³ 协程给你并发的表达力——生成器、协作式调度器、状态机——却没有那种让共享内存线程极难写对的不确定性。再一次，是机制，而非政策。

支撑这一切的，是一个之所以快、正是因为它小的实现。Lua 的虚拟机直到 Lua 4.0 都是基于栈的；到 Lua 5.0 才变为基于寄存器，这给了代码生成器更大的优化空间，并减少了一个典型程序所要执行的 VM 指令数量。设计者们指出，”Lua 5.0 的虚拟机是第一个被广泛使用的基于寄存器的虚拟机”。³ 内存由一个增量式垃圾回收器（在 Lua 5.1 中引入）管理，它把工作拆成小步进行，而不是长时间地停顿整个世界——这对游戏的实时循环至关重要。³ 多项独立基准测试把 Lua 列为解释型脚本语言中最快的一批，快到用设计者的话说，”Adobe Lightroom 有超过 40% 是用 Lua 写的”，约合 10 万行 Lua 代码。³

Lua 的触角：从《魔兽世界》到一个没有操作系统的机器人

把这一切加总起来，Lua 成了一大片软件中那道隐形的脚本层。在游戏里，《魔兽世界》把它的整个界面都暴露给 Lua，让玩家可以编写插件；《Roblox》打造了 Luau 这门 Lua 方言，作为数以百万计的年轻创作者学习编程所用的语言；《Dota 2》、《孤岛危机》和《Garry’s Mod》也都嵌入了它。¹ 在游戏之外，Redis 在数据库内部原子地运行 Lua 脚本；nginx 通过 OpenResty 发行版，用 Lua 来编程 Web 服务器本身；Adobe Lightroom 和 Wireshark 有相当一部分构建于它之上；Neovim 把 Lua 采纳为一等的配置与插件语言。¹ 又因为解释器小巧且可移植，Lua 触及到几乎一无所有的硬件——设计者们讲过 Crazy Ivan 的故事，这是一个赢得过 RoboCup 的机器人，它的”大脑”运行着 Lua，”直接跑在一颗 Motorola Coldfire 5206e 处理器上，底下没有任何操作系统；换句话说，Lua 就是操作系统”。⁷ 一门在里约一间实验室、在贸易限制之下打造出来的小语言，最终却无处不在——因为它几乎一无所求，又把搭建其余一切的操纵杆交给了你。

方法论

通览 DEL、SOL、元表、协程，以及三十年来拒绝让语言臃肿的历程，同样的招式反复出现。Ierusalimschy 的方法与其说是一句口号，不如说是一组始终如一的承诺。

交付机制，而非政策。 那个最具标志性的习惯，就是提供一根通用的操纵杆，而拒绝去规定它必须如何被使用。没有内建的类系统，没有固定的并发模型——只有表、元表和协程，你用它们去构建应用所需要的一切。这条普遍的教训远远超出语言设计的范畴：最经久耐用的工具，恰恰是那些赋予能力却不规定解决方案形态的工具。它与 Guido van Rossum 的”应当有一种显而易见的做法”恰好相反，而这种对比正是要点所在——两者都自成一体，而知道你的工具该体现哪种哲学，才是真正的决定。³

让它小到足够正确，也足够随处可带。 Lua 的参考实现约为 17,000 行干净的 C 代码，比其他脚本语言小上一个数量级，而这种小巧是一项刻意为之的特性——正是它让这门语言可嵌入、可移植、可信赖。这门功夫在于不停地删减，直到再删一样东西就会让它崩坏，这使 Lua 成了 Sophie Wilson 在 ARM 中那种冷峻极简的软件镜像——剥到承重的本质，让效率随之免费落入囊中。这就是语言运行时层面上的最小可敬产品。³

抵住别人向你索要的那个特性，直到你找到它底下的机制。 当用户要对象时，Lua 给了他们可扩展的语义；当他们要线程时，它给了他们协程。每一次，团队都拒绝了那个具体的政策，转而交付更通用的机制，让用户自己去构建政策——而且关键在于，多年之后也没有改变主意。³ 这就是把证据门槛应用到特性请求上：不要因为有人索要就把东西加进去；先弄清它解决的是什么问题，以及你手上已有的某个机制能否解决它。

做泛化，而非做堆砌。 元表并非一蹴而就——它从回退长成标签方法，再长成元方法，每一步都是用一个更通用的机制替换前一个机制，而不是在旁边再栓上一个新特性。³ 教训在于通过统一来演进，而非通过添加来演进，这样语言变得更有能力，体量却保持不变——正是 Thompson 和 Ritchie 用小巧、可组合的零件构建 Unix 时所秉持的那种手段上的经济性。

让约束去设计工具。 Lua 之所以存在，是因为巴西的贸易壁垒迫使 Tecgraf 自建软件；它之所以可移植，是因为实验室的客户运行着”一大堆五花八门的计算机平台”。³ Ierusalimschy 没有把这些约束当作累赘，反而让它们把设计推向某种更小、更干净、也比一支资源充裕的团队多半会做出的东西更可移植的方向——这条教训告诉我们，匮乏只要被认真对待，就是一种设计工具，而不是一句辩解。³

影响链

谁塑造了他

Scheme 与 Lisp 传统。 设计者们明确表示，”Scheme 对 Lua 的影响逐渐加深”，成为”一个灵感来源，尤其是在引入匿名函数和完整的词法作用域时”。³ 和 Scheme 一样，Lua 是动态类型的，把函数当作普通的一等值，并把核心保持得很小——这背后是一种信念：一门语言可以靠极简而非庞大来变得强大。（奠基性影响）

DEL 与 SOL 这两门小语言。 Lua 并非从理论中跃出；它是从为 Petrobras 构建的两门领域特定语言中生长出来的。SOL 贡献了用于描述数据的表构造器语法，而这两者的经验教会了团队：”复杂应用的大部分都可以用可嵌入的脚本语言来编写”——用他们的话说，Lua 的诞生正是建立在这一领悟之上。³（直接影响）

巴西的市场保留政策。 从 1977 年延续到 1992 年的贸易壁垒，是一个出人意料却千真万确的影响：正是它让 Tecgraf 自建了自己的工具，而其客户平台的多样性，正是可移植性成为一流设计目标的原因。是政策造就了这门语言。（奠基性影响）

他塑造了谁

游戏行业的脚本层。 从《Grim Fandango》起，Lua 成了嵌入游戏逻辑的准默认之选，而它所普及的那种模式——快速引擎用 C++、可编辑行为用嵌入式脚本——如今已是标准做法。Roblox 的 Luau 让一代孩子用一门 Lua 方言学会了编程。（定义领域的影响）

嵌入式与系统软件。 Redis、nginx/OpenResty、Wireshark、Neovim，以及数不清的设备，都把 Lua 采纳为脚本层，正是因为它索求甚少。鲜有语言能从一个数据库，触及到一个网络分析器，再触及到一个跑在裸机上的机器人。

那些珍视小巧的语言设计者。 Lua 是一个可运作的明证：一个微小、不偏袒任何范式的核心，能够在嵌入这一利基里胜过庞大而固执己见的语言——这一论点回响在此后每一个极简运行时与”机制胜过框架”的设计之中。

贯穿的主线

Ierusalimschy 处在本系列那场漫长论辩的一极，那场论辩关乎一个工具该替你决定多少。Guido van Rossum 把 Python 建立在”应当有一种显而易见的做法”之上，并附带”电池内置”——语言有自己的主张，而顺从这些主张就是阻力最小的路径。Bjarne Stroustrup 把 C++ 造得足够丰富，几乎能表达任何范式，代价是它在体量和复杂度上的付出。Ierusalimschy 走了与两者都相反的路：几乎不交付任何政策，几乎不交付任何特性，只有少数几样通用机制和一个 17,000 行的运行时，然后让用户去构建其余的一切。他是 Sophie Wilson 的软件镜像，她的 ARM 靠着被剥减到不足 25,000 个晶体管而取胜——Lua 就是用 C 写就的同一种冷峻的小巧，而且和 ARM 那意外的低功耗一样，它的小巧最终成了让它征服一个无人为它设计的领域（嵌入）的那个关键。当 van Rossum 说这就是那条显而易见的路、Stroustrup 说这里有每一条路时，Ierusalimschy 说的是：这里是操纵杆——你来决定构建什么，而我会把整个东西保持得足够小，随处都能带着走。（系列桥接）

我从中得到的

我从 Ierusalimschy 那里一直记着的一课是：你能交给一个人的最强的东西，是机制，而非政策。 当你构建一个工具时，很容易禁不住把自己对它该如何被使用的看法烘焙进去——交付那个类系统、那个框架、那一条被祝福的工作流。Lua 的整段生涯都在论证：相反的做法更经得起岁月。正是因为拒绝固定一种对象模型、转而交付元表，这门语言才让用户构建出了设计者从未设想过的继承方案，用在他们从未预料过的游戏、数据库和编辑器里。如今当我构建什么东西时，我从 Lua 借来的问题是：我交付的究竟是一个决定，还是一种能力——因为决定服务于我今天能看见的那些情形，而能力服务于我看不见的那些。

第二课是：小巧不是一种你勉强容忍的约束——它是一种你要去守护的特性。 在三十年的用户压力之下，要让 Lua 长成一门带着 class 关键字、一个线程库和一套包罗万象的标准框架的庞大语言，本是再容易不过的事。团队拒绝了，而正是这种拒绝，才让 Lua 能装进一张软盘、能随处编译、能嵌入一个机器人的裸机大脑。保持小巧这门功夫——做泛化而非做堆砌，抵住那个特性直到你找到它底下的机制——比做添加那门功夫更难，也远更宝贵。这是把质量是唯一的变量当作克制来读：那件正确的小东西，被守护了数十年，便成了别的一切都能立足其上的基础设施。

常见问题

Roberto Ierusalimschy 是谁，他创造了什么？

Roberto Ierusalimschy 是一位巴西计算机科学家，1960 年生于里约热内卢，现为 PUC-Rio 的信息学正教授。他是 Lua 的首席设计者——这门小巧、快速、可嵌入的脚本语言，由他于 1993 年在 PUC-Rio 的 Tecgraf 实验室与 Luiz Henrique de Figueiredo 和 Waldemar Celes 一同创造。他也是《Programming in Lua》一书的作者、模式匹配库 LPeg 的创造者，并合著了这门语言的权威历史文献《The Evolution of Lua》。³⁵⁶

Lua 中的”提供机制，而非政策”是什么意思？

它意味着 Lua 给你少数几样强大而通用的机制，而不是强加固定的决定。最清晰的例子是面向对象：Lua 没有内建的类系统。相反，它提供表（既能存放数据又能存放方法）和元表（让你定制表的行为方式），而继承、类或任何其他对象模型都由你自己来构建。设计者们写道：”Lua 不会把任何对象或类模型强加给程序员”，并选择”提供灵活的机制”作为替代——这是他们自 1993 年起一直坚持的立场。³

为什么 Lua 在游戏和嵌入式系统中如此广泛地被使用？

因为它从一开始就被设计得小巧、快速、可移植且易于嵌入。参考实现约为 17,000 行干净的 ANSI C 代码，几乎在任何地方都能编译；构建出的解释器约为 143 KB；一套定义明确的 C API 让宿主程序得以完全掌控它。这种特质恰是游戏引擎或嵌入式设备所需要的——繁重的活计交给 C/C++，可编辑的逻辑放进小巧的脚本——这也是它为何能为《魔兽世界》、《Roblox》（通过 Luau）、Redis、nginx/OpenResty、Adobe Lightroom 乃至底层的裸机机器人编写脚本。¹³⁷

“Lua”这个名字从何而来？

Lua 在葡萄牙语中意为”月亮”。它得名于作为更早一门 Tecgraf 语言 SOL 的继任者——SOL 即”简单对象语言”（Simple Object Language），同时在葡萄牙语里也是”太阳”的意思。Tecgraf 的一位同事 Carlos Henrique Levy 为这门新语言建议了”Lua”这个名字，完成了从太阳到月亮的递进。整个项目脱胎于 DEL 和 SOL 这两门为巴西石油公司 Petrobras 构建的小语言。³

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