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程序（C++等编译型语言）中，通过以下方式扩展程序能力：

动态逻辑控制：通过脚本实现运行时逻辑调整，无需重新编译主程序，提升开发效率；
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，实现跨平台开发；
热更新支持：通过替换脚本文件实现功能迭代，保障主程序持续运行，不影响业务；
配置数据驱动：将业务规则/数值表等易变内容外置为脚本文件，实现配置数据的灵活管理。

典型应用场景：

游戏开发：NPC行为逻辑、AI行为树、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），影响开发效率；
硬编码困境：业务规则变更需重新部署，影响业务稳定性；
安全隔离：脚本虚拟机沙箱机制可防止崩溃扩散（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	需全量编译部署	热更新脚本文件即时生效
风险控制	崩溃导致进程退出	脚本异常局部捕获
协作效率	要求C++全栈能力	分离核心/脚本开发角色

虽然脚本化方案可以解决上述痛点，但也存在以下问题：

开发门槛高：脚本语言与C++的语法差异较大，需要一定的学习成本；
性能损耗：脚本化方案通常需要额外的解释器/虚拟机，带来一定的性能损耗；
安全风险：脚本化方案需要保证脚本的安全性，避免恶意代码注入。

因此，脚本化方案需要在开发成本、性能损耗、安全风险之间进行权衡。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，以及兼顾开发效率和性能。

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解释器，如Lua、Python等；
通过子程序的方式调用脚本模块。

3.1 嵌入解释器

3.1.1 常见方案对比

特性	Lua	Python	ChaiScript	JavaScript
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 ~ 2MB	10MB ~ 100MB	5MB ~ 20MB	5MB ~ 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 Studio	PDB/VS Code	原生GDB集成	Chrome DevTools Protocol
典型应用场景	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：

// 创建Lua虚拟机
lua_State* L = luaL_newstate();
luaL_openlibs(L);

// 注册C++函数
lua_pushcfunction(L, &cpp_function);
lua_setglobal(L, "cpp_func");

// 执行Lua脚本
luaL_dostring(L, "print('Lua调用C++:', cpp_func(42))");

pybind11绑定示例：

PYBIND11_MODULE(example, m) {
    m.def("add", &add, "加法函数");
    
    py::class_<MyClass>(m, "MyClass")
        .def(py::init<>())
        .def("process", &MyClass::process);
}

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：

-- 限制脚本访问危险函数
debug = nil
os.execute = nil

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：

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

3.1.5 模块化集成方案

将脚本解释器封装为独立模块，通过明确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：支持运行时模块热替换
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）：

# 模块化Lua解释器
add_library(lua_module SHARED
  lua_engine.cpp
  lua_bindings.cpp)
target_link_libraries(lua_module PRIVATE Lua::Lua)
set_target_properties(lua_module PROPERTIES
  CXX_VISIBILITY_PRESET hidden
  VERSION "1.0.0")

# 主程序动态加载
add_executable(main_app main.cpp)
target_compile_definitions(main_app PRIVATE MODULE_DIR="${CMAKE_BINARY_DIR}")

跨语言对象传递机制：

语言	对象封装方式	生命周期管理
Lua	lightuserdata+元表	引用计数+GC标记
Python	pybind11::class_	智能指针+Gil锁
ChaiScript	Boxed_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：

// 版本号校验
void verify_abi_version(const ScriptEngine* engine) {
  assert(engine->get_abi_version() == SCRIPT_ABI_VERSION && "ABI不兼容");
}

// 结构体对齐测试
static_assert(sizeof(ModuleHeader) == 64, "头结构体大小变化，需重新编译模块");

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	120ms	80ms(-33%)
内存碎片率	15%	8%(-47%)
函数调用开销	45ns	28ns(-38%)
热加载耗时	N/A	12ms

3.2 子程序调用

3.2.1 通过FFI直接绑定

LuaJIT调用C++示例：

// 导出C++函数
LUA_API int luaopen_mylib(lua_State* L) {
    lua_pushcfunction(L, [](lua_State* L) -> int {
        double x = luaL_checknumber(L, 1);
        lua_pushnumber(L, x * 2);
        return 1;
    });
    lua_setglobal(L, "cpp_double");
    return 0;
}

-- Lua调用示例
print(cpp_double(21))  -- 输出42.0

Python ctypes调用DLL：

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

3.2.2 CLI命令调用

封装C++为可执行文件：

# 编译为可执行文件
g++ -std=c++17 -o processor main.cpp

# 脚本调用示例
#!/bin/bash
INPUT=42
OUTPUT=$(./processor $INPUT)
echo "处理结果: $OUTPUT"

3.2.3 RPC服务框架

gRPC服务定义：

syntax = "proto3";
service Processor {
  rpc Calculate (Request) returns (Response) {}
}

message Request {
  double input = 1;
}

message Response {
  double result = 1;
}

序列化方案对比：

特性	Protobuf	MsgPack
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	强类型约束	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：

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

超时控制实现：

# Python子进程超时控制
import subprocess
try:
    result = subprocess.run(
        ['./processor', '42'],
        timeout=5,
        check=True,
        capture_output=True
    )
except subprocess.TimeoutExpired:
    print("处理超时！")

IPC通信加密：

// 使用OpenSSL加密通信
SSL_CTX* ctx = SSL_CTX_new(TLS_method());
SSL* ssl = SSL_new(ctx);
SSL_set_fd(ssl, socket_fd);
SSL_connect(ssl);
SSL_write(ssl, data, data_len);

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：

#include <iostream>
#include <lua.hpp>
#include <format>

static int add(lua_State* lua) {
    if (lua_gettop(lua) < 2) {
        lua_pushstring(lua, "Add need two parameters");
        lua_error(lua);
    }
    const auto a = luaL_checkinteger(lua, 1);
    const auto b = luaL_checkinteger(lua, 2);
    const auto sum = a + b;
    lua_pushnumber(lua, sum);
    return 1;
}

int main(int argc, char **argv){
    std::cout<<"hello world\n";
    auto lua = luaL_newstate();
    luaL_openlibs(lua);
    lua_register(lua, "add", add);
    const std::string script = "main.lua";
    if (luaL_dofile(lua, script.c_str()) != LUA_OK) {
        auto error = lua_tostring(lua, -1);
        std::cerr << "Error Msg: " << error <<std::endl;
        lua_settop(lua, 0); // 清空栈保证状态
    }

    lua_close(lua);
    return 0;
}

对应的lua脚本比较简单：

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

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，没有外部依赖，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：

#include <iostream>
#include <lua.hpp>
#include <LuaBridge/LuaBridge.h>
class MyClass {
public:
    MyClass(const std::string& name) : name(name) {}

    std::string getName() {
        return name;
    }

    void setName(const std::string& newName) {
        name = newName;
    }

    static void bind(lua_State* L) {
        luabridge::getGlobalNamespace(L)
            .beginClass<MyClass>("MyClass")
            .addConstructor<void(*)(const std::string&)>()
            .addFunction("getName", &MyClass::getName)
            .addFunction("setName", &MyClass::setName)
            .endClass();
    }
private:
    std::string name;
};

int main() {
    lua_State* L = luaL_newstate();
    luaL_openlibs(L);

    MyClass::bind(L);

    // 执行 Lua 脚本
    if (luaL_dofile(L, "main.lua") != LUA_OK) {
        std::cerr << "Error: " << lua_tostring(L, -1) << std::endl;
        lua_pop(L, 1);
    }

    lua_close(L);
    return 0;
}

Lua的脚本内容如下：

local obj = MyClass("MyClass")
print(obj:getName())
obj:setName("LuaMyClass")
print(obj:getName())

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。另外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、命名空间以及最新 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，最后使用函数指针调用函数。下面是一个简单的示例：

#include <lua.hpp>
#include <LuaBridge/LuaBridge.h>
#include <iostream>

#if defined(_WIN32)
#define SYM_EXPORT __declspec(dllexport)
#else
#define SYM_EXPORT
#endif

class SYM_EXPORT MyClass {
public:
    MyClass(const std::string& name) : name(name) {}

    std::string getName() {
        return name;
    }

    void setName(const std::string& newName) {
        name = newName;
    }

private:
    std::string name;
};

// 导出到 Lua 的初始化函数
extern "C" {
    extern "C" SYM_EXPORT int luaopen_mylib(lua_State* L) {
        luabridge::getGlobalNamespace(L)
            .beginClass<MyClass>("MyClass") // 注册 MyClass
                .addConstructor<void(*)(const std::string&)>()
                .addFunction("getName", &MyClass::getName)
                .addFunction("setName", &MyClass::setName)
            .endClass();

        return 0;
    }
}

调用动态库的lua脚本如下：

local mylib, err = package.loadlib("mylib.dll", "luaopen_mylib")
if not mylib then
    error("Failed To Load DLL: "..tostring(err))
end
mylib()
local obj = MyClass("World")
print(obj:getName())
obj:setName("LuaBridge")
print(obj:getName())

4.2 Python与C++交互

Python本身也支持与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，适合快速集成。
Cython: 提供更高的性能和更好的类型安全，适合中小型项目。
SWIG: 自动化程度高，适合大型项目。
pybind11: 简单易用，适合现代 C++，依赖较少。

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：

//add.h
#pragma once
int add(const int a, const int b);

//add.c
#include "add.h"

int add(const int a, const int b) {
    return a + b;
}

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，里面定义了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确的告诉 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。

%module add

%{
#define SWIG_FILE_WITH_INIT
#include "add.h"
%}

int add(const int a, const int b);

然后使用swig命令生成对应的python文件：

swig -c++ -python add.i

最后编写自动编译的脚本：

from distutils.core import setup, Extension

add_module = Extension('_add',
                           sources=['add_wrap.c', 'add.c'],
                           )

setup(name='add',
      version='0.1',
      author="gg",
      description="""Simple swig example from docs""",
      ext_modules=[add_module],
      py_modules=["add"],
      )

最后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。

python setup.py build_ext --inplace

4.3 JS与C++交互

一些流行的 JavaScript 调用 C++ 的框架和工具，适合不同场景。Node.js 原生模块允许通过 C++ 扩展与 JavaScript 直接交互，适合服务器端高性能需求。Emscripten将 C/C++ 代码编译为 WebAssembly，可在浏览器中直接调用，适合游戏和图形处理。SWIG自动生成 C/C++ 与多种语言的接口，适合需要快速多语言绑定的项目。N-API为 Node.js 提供稳定的 API，适合长期维护的扩展。WebAssembly是一种现代二进制格式，能在浏览器中高效运行，适合高性能客户端应用。Qt for WebAssembly支持将 Qt 应用程序编译为 WebAssembly，适合图形用户界面开发。最后，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发者在 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来进行，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命令swig.exe -c++ -javascript -node .\example.i生成的。

{
  "targets": [
    {
      "target_name": "example",
      "sources": [ "example.cxx", "example_wrap.cxx" ]
    }
  ]
}

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++交互的方式或者库，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能力外，还可以通过其他通信方式来实现，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。

另外还有一些专门为C++脚本化开发的库或者第三方工具，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++ 设计，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，适合游戏开发和其他 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，适合游戏和应用程序的扩展。

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，需要根据具体的场景来选择合适的方案。总的来说，脚本化方案可以提高开发效率，减少开发成本，提高代码的可维护性和可扩展性。但是，脚本化方案也存在一些问题，比如性能损失，安全风险，开发难度等。因此，在选择脚本化方案时，需要综合考虑这些问题，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