C++脚本化方案调研

1 什么是脚本化

  脚本化（Scripting）是指将脚本语言嵌入到主步调（C++等编译型语言）中，通过以下方式扩展步调本领：

• 动态逻辑控制：通过脚本实现运行时逻辑调解，无需重新编译主步调，提升开辟效率；
  
• 跨语言交互：建立C++与脚本语言的双向调用通道，实现跨语言交互，实现跨平台开辟；
  
• 热更新支持：通过更换脚本文件实现功能迭代，保障主步调连续运行，不影响业务；
  
• 设置数据驱动：将业务规则/数值表等易变内容外置为脚本文件，实现设置数据的机动管理。
  

范例应用场景：

• 游戏开辟：NPC举动逻辑、AI举动树、动画逻辑、特效逻辑等；
  
• 工业仿真：参数化建模流程，数据驱动仿真；
  
• 图形渲染：Shader脚本动态编译，实现实时效果预览；
  
• 自动化测试：用例脚本驱动，实现自动化测试。
  

2 为什么要脚本化

  C++等编译型语言的工程通常存在以下痛点：

• 编译期僵化：修改C++代码需重新编译（大型项目编译耗时可达10+分钟），影响开辟效率；
  
• 硬编码困境：业务规则变动需重新摆设，影响业务稳定性；
  
• 安全隔离：脚本虚拟机沙箱机制可防止瓦解扩散（对比直接调用DLL的风险）。
  

维度纯C++方案脚本化方案迭代速度需全量编译摆设热更新脚本文件即时见效风险控制瓦解导致进程退出脚本异常局部捕获协作效率要求C++全栈本领分离核心/脚本开辟角色   虽然脚本化方案可以解决上述痛点，但也存在以下标题：

• 开辟门槛高：脚本语言与C++的语法差异较大，需要肯定的学习成本；
  
• 性能消耗：脚本化方案通常需要额外的表明器/虚拟机，带来肯定的性能消耗；
  
• 安全风险：脚本化方案需要包管脚本的安全性，避免恶意代码注入。
  

  因此，脚本化方案需要在开辟成本、性能消耗、安全风险之间举行权衡。通常将性能敏感的部分用C++实现，将性能不敏感的部分用脚本实现来实现快速迭代，以及兼顾开辟效率和性能。
3 如何脚本化

  C++脚本化方案主要有以下几种：

• 直接嵌入脚本语言的表明器，如Lua、Python等；
  
• 通过子步调的方式调用脚本模块。
  

3.1 嵌入表明器

  
3.1.1 常见方案对比

特性LuaPythonChaiScriptJavaScript集成难度★★☆☆☆★★★☆☆★★★★★★★★★☆性能表现1亿次/秒（JIT）100万次/秒5000万次/秒1.2亿次/秒（V8 JIT）
800万次/秒（QuickJS）内存占用200KB ~ 2MB10MB ~ 100MB5MB ~ 20MB5MB ~ 50MB（V8）
1MB ~ 5MB（QuickJS）线程安全需手动加锁GIL限制原生支持隔离上下文+Worker线程调试支持ZeroBrane StudioPDB/VS Code原生GDB集成Chrome DevTools Protocol范例应用场景游戏AI/UI逻辑机器学习管线实时控制系统Web嵌入/跨平台应用 3.1.2 绑定技术实现

LuaJIT集成示例：

1. // 创建Lua虚拟机
2. lua_State* L = luaL_newstate();
3. luaL_openlibs(L);
5. // 注册C++函数
6. lua_pushcfunction(L, &cpp_function);
7. lua_setglobal(L, "cpp_func");
9. // 执行Lua脚本
10. luaL_dostring(L, "print('Lua调用C++:', cpp_func(42))");

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pybind11绑定示例：

1. PYBIND11_MODULE(example, m) {
2.     m.def("add", &add, "加法函数");
3.    
4.     py::class_<MyClass>(m, "MyClass")
5.         .def(py::init<>())
6.         .def("process", &MyClass::process);
7. }

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3.1.3 内存安全机制

• 隔离堆管理：为脚本分配独立内存池
  
• 引用跟踪：使用智能指针包装C++对象
  
• 沙箱策略：
  1. -- 限制脚本访问危险函数
  2. debug = nil
  3. os.execute = nil

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3.1.4 混合调试方案

• 符号映射：在编译时生成PDB符号文件
  
• 断点代理：通过VS Code调试器同时捕获C++和脚本异常
  
• 日志追踪：
  

1. # 跨语言调用追踪
2. import inspect
3. print(f"[Trace] {inspect.stack()[1].function}()")

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3.1.5 模块化集成方案

  将脚本表明器封装为独立模块，通过明白接口边界实现松耦合集成：
模块化架构要素：

• 接口隔离层：定义ScriptEngine抽象接口
  
• 动态加载机制：支持运行时模块热更换
  
• ABI兼容保障：采用C接口+版本号校验
  
• 资源隔离：独立内存池与异常处理边界
  

Lua模块化示例（CMake）：

1. # 模块化Lua解释器
2. add_library(lua_module SHARED
3.   lua_engine.cpp
4.   lua_bindings.cpp)
5. target_link_libraries(lua_module PRIVATE Lua::Lua)
6. set_target_properties(lua_module PROPERTIES
7.   CXX_VISIBILITY_PRESET hidden
8.   VERSION "1.0.0")
10. # 主程序动态加载
11. add_executable(main_app main.cpp)
12. target_compile_definitions(main_app PRIVATE MODULE_DIR="${CMAKE_BINARY_DIR}")

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跨语言对象传递机制：
语言对象封装方式生命周期管理Lualightuserdata+元表引用计数+GC标记Pythonpybind11::class_智能指针+Gil锁ChaiScriptBoxed_Value移动语义+类型擦除 热加载实现流程：

• 使用dlopen加载模块.so/dll
  
• 通过dlsym获取create_engine符号
  
• 双缓冲引擎实例平滑切换
  
• 旧模块延迟卸载（引用计数归零）
  

ABI兼容性测试方案：

1. // 版本号校验
2. void verify_abi_version(const ScriptEngine* engine) {
3.   assert(engine->get_abi_version() == SCRIPT_ABI_VERSION && "ABI不兼容");
4. }
6. // 结构体对齐测试
7. static_assert(sizeof(ModuleHeader) == 64, "头结构体大小变化，需重新编译模块");

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性能提升数据（模块化前后对比）：
测试项集成式方案模块化方案冷启动时间120ms80ms(-33%)内存碎片率15%8%(-47%)函数调用开销45ns28ns(-38%)热加载耗时N/A12ms 3.2 子步调调用

3.2.1 通过FFI直接绑定

LuaJIT调用C++示例：

1. // 导出C++函数
2. LUA_API int luaopen_mylib(lua_State* L) {
3.     lua_pushcfunction(L, [](lua_State* L) -> int {
4.         double x = luaL_checknumber(L, 1);
5.         lua_pushnumber(L, x * 2);
6.         return 1;
7.     });
8.     lua_setglobal(L, "cpp_double");
9.     return 0;
10. }
12. -- Lua调用示例
13. print(cpp_double(21))  -- 输出42.0

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Python ctypes调用DLL：

1. from ctypes import CDLL, c_double
2. lib = CDLL('./mylib.dll')
3. lib.process_data.argtypes = [c_double]
4. lib.process_data.restype = c_double
5. print(lib.process_data(3.14))  # 输出处理结果

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3.2.2 CLI下令调用

封装C++为可执行文件：

1. # 编译为可执行文件
2. g++ -std=c++17 -o processor main.cpp
4. # 脚本调用示例
5. #!/bin/bash
6. INPUT=42
7. OUTPUT=$(./processor $INPUT)
8. echo "处理结果: $OUTPUT"

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3.2.3 RPC服务框架

gRPC服务定义：

1. syntax = "proto3";
2. service Processor {
3.   rpc Calculate (Request) returns (Response) {}
4. }
6. message Request {
7.   double input = 1;
8. }
10. message Response {
11.   double result = 1;
12. }

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序列化方案对比：
特性ProtobufMsgPack编码效率高（二进制）高（二进制）解码速度快（预生成代码）较快类型安全强类型束缚动态类型跨语言支持官方支持多语言社区实现数据验证内置schema校验需额外验证 3.2.4 安全调用策略

参数校验机制：

1. // C++参数校验示例
2. try {
3.     if (value < 0) throw std::invalid_argument("值不能为负");
4.     // 处理逻辑
5. } catch (const std::exception& e) {
6.     std::cerr << "错误: " << e.what() << std::endl;
7. }

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超时控制实现：

1. # Python子进程超时控制
2. import subprocess
3. try:
4.     result = subprocess.run(
5.         ['./processor', '42'],
6.         timeout=5,
7.         check=True,
8.         capture_output=True
9.     )
10. except subprocess.TimeoutExpired:
11.     print("处理超时！")

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IPC通讯加密：

1. // 使用OpenSSL加密通信
2. SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(TLS_method());
3. SSL* ssl = SSL_new(ctx);
4. SSL_set_fd(ssl, socket_fd);
5. SSL_connect(ssl);
6. SSL_write(ssl, data, data_len);

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4 详细示例

4.1 Lua与C++交互

4.1.1 C++调用Lua函数

  lua与C++交互需要在C++创建lua的虚拟机，通过lua的虚拟机将参数传递给C++函数。调用C++函数时需要提前注册调用的函数，随后通过Lua虚拟机将参数传递给C++函数。Lua 是一种基于栈的虚拟机，使用一个单一的栈来存储所有变量和函数参数，对应C++的函数就是：

• 压栈: 使用 lua_pushinteger、lua_pushstring等函数将数据压入栈中。
  
• 弹栈: 使用 lua_pop函数从栈中移除数据。
  
• 访问栈: 使用 lua_tointeger、lua_tostring等函数从栈中读取数据（需要注意的是lua虚拟机的栈从1开始计数而不是0）。
  

  下面是一个简单的示例，演示了如何在C++中调用Lua函数并传递参数：

1. #include <iostream>
2. #include <lua.hpp>
3. #include <format>
5. static int add(lua_State* lua) {
6.     if (lua_gettop(lua) < 2) {
7.         lua_pushstring(lua, "Add need two parameters");
8.         lua_error(lua);
9.     }
10.     const auto a = luaL_checkinteger(lua, 1);
11.     const auto b = luaL_checkinteger(lua, 2);
12.     const auto sum = a + b;
13.     lua_pushnumber(lua, sum);
14.     return 1;
15. }
17. int main(int argc, char **argv){
18.     std::cout<<"hello world\n";
19.     auto lua = luaL_newstate();
20.     luaL_openlibs(lua);
21.     lua_register(lua, "add", add);
22.     const std::string script = "main.lua";
23.     if (luaL_dofile(lua, script.c_str()) != LUA_OK) {
24.         auto error = lua_tostring(lua, -1);
25.         std::cerr << "Error Msg: " << error <<std::endl;
26.         lua_settop(lua, 0); // 清空栈保证状态
27.     }
29.     lua_close(lua);
30.     return 0;
31. }

复制代码

  对应的lua脚本比较简单：

1. print("Hello Lua")
2. print(add(1, 2))

复制代码

4.1.2 LuaBridge

  直接使用liblua的api和C++交互比特别是自定义数据需要构建userdata比较麻烦，可以使用一些第三方库比如LuaBridge，luabind，Kahlua，Sol2等。LuaBridge 是一个轻量级的 C++ 库，用于将 C++ 类和函数绑定到 Lua，简单易用，支持基本的类型绑定，没有外部依靠，易于集成，支持 C++11 的功能。因此，下面就使用LuaBridge来实现一个简单的例子：

1. #include <iostream>
2. #include <lua.hpp>
3. #include <LuaBridge/LuaBridge.h>
4. class MyClass {
5. public:
6.     MyClass(const std::string& name) : name(name) {}
8.     std::string getName() {
9.         return name;
10.     }
12.     void setName(const std::string& newName) {
13.         name = newName;
14.     }
16.     static void bind(lua_State* L) {
17.         luabridge::getGlobalNamespace(L)
18.             .beginClass<MyClass>("MyClass")
19.             .addConstructor<void(*)(const std::string&)>()
20.             .addFunction("getName", &MyClass::getName)
21.             .addFunction("setName", &MyClass::setName)
22.             .endClass();
23.     }
24. private:
25.     std::string name;
26. };
28. int main() {
29.     lua_State* L = luaL_newstate();
30.     luaL_openlibs(L);
32.     MyClass::bind(L);
34.     // 执行 Lua 脚本
35.     if (luaL_dofile(L, "main.lua") != LUA_OK) {
36.         std::cerr << "Error: " << lua_tostring(L, -1) << std::endl;
37.         lua_pop(L, 1);
38.     }
40.     lua_close(L);
41.     return 0;
42. }

复制代码

  Lua的脚本内容如下：

1. local obj = MyClass("MyClass")
2. print(obj:getName())
3. obj:setName("LuaMyClass")
4. print(obj:getName())

复制代码

  更详细的例子可以参考LuaBridge Source Example。
  需要注意的是，虽然使用了LuaBridge库，但是底层还是使用的liblua的api，因此还是需要在C++中创建lua的虚拟机，通过lua的虚拟机将参数传递给C++函数。别的LuaBridge库的使用比较简单，但是也有一些限制，比如不能使用C++11的特性，LuaBridge 对 C++ 的模板、多态、异常处理、复杂类型、引用和指针、运算符重载、定名空间以及最新 C++ 特性的支持有限。
4.1.3 lua调用动态库

  lua调用动态库需要使用C的接口，和C++调用动态库的方式类似，需要使用dlopen打开动态库，然后使用dlsym获取函数指针，末了使用函数指针调用函数。下面是一个简单的示例：

1. #include <lua.hpp>
2. #include <LuaBridge/LuaBridge.h>
3. #include <iostream>
5. #if defined(_WIN32)
6. #define SYM_EXPORT __declspec(dllexport)
7. #else
8. #define SYM_EXPORT
9. #endif
11. class SYM_EXPORT MyClass {
12. public:
13.     MyClass(const std::string& name) : name(name) {}
15.     std::string getName() {
16.         return name;
17.     }
19.     void setName(const std::string& newName) {
20.         name = newName;
21.     }
23. private:
24.     std::string name;
25. };
27. // 导出到 Lua 的初始化函数
28. extern "C" {
29.     extern "C" SYM_EXPORT int luaopen_mylib(lua_State* L) {
30.         luabridge::getGlobalNamespace(L)
31.             .beginClass<MyClass>("MyClass") // 注册 MyClass
32.                 .addConstructor<void(*)(const std::string&)>()
33.                 .addFunction("getName", &MyClass::getName)
34.                 .addFunction("setName", &MyClass::setName)
35.             .endClass();
37.         return 0;
38.     }
39. }

复制代码

  调用动态库的lua脚本如下：

1. local mylib, err = package.loadlib("mylib.dll", "luaopen_mylib")
2. if not mylib then
3.     error("Failed To Load DLL: "..tostring(err))
4. end
5. mylib()
6. local obj = MyClass("World")
7. print(obj:getName())
8. obj:setName("LuaBridge")
9. print(obj:getName())

复制代码

4.2 Python与C++交互

  Python自己也支持与C++交互，可以使用Python的C API来调用C++的函数。使用一些额外的库来实现Python与C++的交互，比如pybind11，cffi，swig等更加简单高效。

• ctypes: 最简单的方式，得当快速集成。
  
• Cython: 提供更高的性能和更好的类型安全，得当中小型项目。
  
• SWIG: 自动化程度高，得当大型项目。
  
• pybind11: 简单易用，得当现代 C++，依靠较少。
  

  swig是一个跨语言的编译器，它可以将C++代码编译成多种语言的接口，比如Python，Java，C#，Ruby等。swig的使用比较简单，但是也有一些限制。下面是一个简单的示例：

1. //add.h
2. #pragma once
3. int add(const int a, const int b);
5. //add.c
6. #include "add.h"
8. int add(const int a, const int b) {
9.     return a + b;
10. }

复制代码

  除了上面两个文件还需要一个add.i的文件，这个文件是swig的接口文件，内里定义了C++的函数和参数类型。接口文件是告诉 Swig 应该怎样把原生语言（这里指的是 C++），转换为目标语言（这里指的是 Python），如原生语言中一些数据接口与目标语言不一样的地方。那 C++ 来说，C++ 中会用到指针，vector, string, map, pair 等部分，那么这部分就需要明白的告诉 Swig 应该怎样处理。Swig 有一些标准库的接口文件，已经对这个做了很好的处理，我们只需要在接口文件中对此做个简单的描述即可。

1. %module add
3. %{
4. #define SWIG_FILE_WITH_INIT
5. #include "add.h"
6. %}
8. int add(const int a, const int b);

复制代码

  然后使用swig下令生成对应的python文件：

1. swig -c++ -python add.i

复制代码

  末了编写自动编译的脚本：

1. from distutils.core import setup, Extension
3. add_module = Extension('_add',
4.                            sources=['add_wrap.c', 'add.c'],
5.                            )
7. setup(name='add',
8.       version='0.1',
9.       author="gg",
10.       description="""Simple swig example from docs""",
11.       ext_modules=[add_module],
12.       py_modules=["add"],
13.       )

复制代码

  末了执行下面的脚本编译可得到python的模块文件，随后在python中导入使用即可。

1. python setup.py build_ext --inplace

复制代码

4.3 JS与C++交互

  一些流行的 JavaScript 调用 C++ 的框架和工具，得当不同场景。Node.js 原生模块答应通过 C++ 扩展与 JavaScript 直接交互，得当服务器端高性能需求。Emscripten将 C/C++ 代码编译为 WebAssembly，可在欣赏器中直接调用，得当游戏和图形处理。SWIG自动生成 C/C++ 与多种语言的接口，得当需要快速多语言绑定的项目。N-API为 Node.js 提供稳定的 API，得当恒久维护的扩展。WebAssembly是一种现代二进制格式，能在欣赏器中高效运行，得当高性能客户端应用。Qt for WebAssembly支持将 Qt 应用步调编译为 WebAssembly，得当图形用户界面开辟。末了，nan简化了在 Node.js 中编写 C++ 扩展的过程，尤其是处理 V8 API 的复杂性。这些工具和框架为开辟者在 JavaScript 环境中高效调用 C++ 提供了多种选择。
  JS和C++交互和Python都可以使用SWIG来举行，实现比较简单。代码文件和Python类似也需要.i文件。需要额外准备编译的gyp文件，下面文件中的example_wrap.cxx是通过swig下令swig.exe -c++ -javascript -node .\example.i生成的。

1. {
2.   "targets": [
3.     {
4.       "target_name": "example",
5.       "sources": [ "example.cxx", "example_wrap.cxx" ]
6.     }
7.   ]
8. }

复制代码

  生成之后再调用node-gyp configure build编译即可得到node模块，随即可以在js中直接调用。
4.4 其他

  其他语言也都提供了和C/C++交互的方式大概库，rbo语言，比如Rust，Go，Dart等。这里就不再赘述。除了语言提供的一些native本领外，还可以通过其他通讯方式来实现，比如消息队列，RPC等。这些属于其他的话题了，这里不详细展开。
  别的另有一些专门为C++脚本化开辟的库大概第三方工具，比如：

• ChaiScript: 一种基于Lua的脚本语言，支持C++的绑定，支持动态类型和自动类型转换，轻量级脚本语言，专门为 C++ 计划，易于嵌入和使用。
  
• AngelScript：一种基于C++的脚本语言，支持C++的绑定，支持静态类型和类型安全，强类型的嵌入式脚本语言，得当游戏开辟和其他 C++ 项目。
  
• Squirrel：一种基于C++的脚本语言，支持C++的绑定，支持静态类型和类型安全，高性能的嵌入式脚本语言，得当游戏和应用步调的扩展。
  

5 总结

  能够看到不同语言的脚本化方案都有自己的优缺点，需要根据详细的场景来选择合适的方案。总的来说，脚本化方案可以进步开辟效率，淘汰开辟成本，进步代码的可维护性和可扩展性。但是，脚本化方案也存在一些标题，比如性能丧失，安全风险，开辟难度等。因此，在选择脚本化方案时，需要综合考虑这些标题，选择合适的方案。
6 参考文献

• C++/Lua交互指南
  
• Lua - Lua 与 C/C++ 交互
  
• Chapter 26. Calling C from Lua
  
• Swig Wrap C++ for Python
  
• SWIG JS
  
• C/C++脚本化: 探索篇
  

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