LuaTeX / LuaJITTeX

lualatex 并不是 LuaTeX。在 TeX Live 2024 上顺着符号链接看下去，它指向的不是 luatex，而是 luahbtex——一个内建 HarfBuzz 的另一个二进制。fmtutil.cnf 里也是同样的说法：lualatex luahbtex ... lualatex.ini，连格式本身都是由 LuaHBTeX 生成的。运行时横幅自报家门为 This is LuaHBTeX, Version 1.18.0 (TeX Live 2024)，只是很容易被一眼扫过去。本页从这个 LaTeX 引擎的真身讲起，说明 Lua 究竟嵌进了排版的哪一处（\directlua 与回调），LuaJITTeX 如今变成了什么，以及「LuaLaTeX 慢」这个名声在实测中究竟有几分为真。

lualatex 的真身是 LuaHBTeX：HarfBuzz 加了什么

它把整个 HarfBuzz 装进了二进制里。 LuaHBTeX 是 2020 年进入 TeX Live 的，lualatex 背后的那个程序就是那时被换掉的；当年的发行说明写得很清楚：LuaTeX 本身仍是普通的 LuaTeX，改变的只有 LaTeX 的格式。一行代码即可确认：把 \directlua{tex.print(status.luatex_engine)} 用 lualatex 编译，页面上印出的是 luahbtex；用 luatex 编译，则印出 luatex。再试 require("luaharfbuzz")：在 luahbtex 下成功，报出 HarfBuzz 8.3.0；在原始 luatex 下则失败于 module 'luaharfbuzz' not found。HarfBuzz 并不是磁盘上某处的一个文件，而是静态链接进可执行程序里的，所以事后没有任何宏包能补上它——这也正是它要作为独立二进制发行的原因。

$ readlink $(which lualatex)
luahbtex

$ grep -E '^lualatex ' $(kpsewhich fmtutil.cnf)
lualatex luahbtex language.dat,language.dat.lua lualatex.ini

$ lualatex --version | head -1
This is LuaHBTeX, Version 1.18.0 (TeX Live 2024)

# Ask the engine what it is, from inside a document:
%   \directlua{tex.print(status.luatex_engine)}     -> luahbtex
%   \directlua{tex.print(_VERSION)}                 -> Lua 5.3
%   \directlua{local hb = require("luaharfbuzz")
%              tex.print(hb.version())}             -> 8.3.0

实务上的含义是这样的：字形整形有两条路径，默认走的是 luaotfload 自己用 Lua 写的整形器。在 fontspec 里指定 Renderer=Harfbuzz，就会切到 HarfBuzz 一侧——日志里能看到 luaotfload.harf.finalize_hlist 之类被插进 hpack_filter 与 post_linebreak_filter。对整形复杂的文字体系，例如藏文或孟加拉文，HarfBuzz 更准确，这本来就是造出 LuaHBTeX 的动机。若文档全是拉丁字母，基本看不出差别。

LuaTeX 是谁、为了什么造的

敲 luatex --credits，开发团队列出的是 Hans Hagen、Hartmut Henkel、Taco Hoekwater、Luigi Scarso，接着是它吸收的项目清单：TeX（Knuth）、e-TeX（Peter Breitenlohner 等）、Omega（John Plaice、Yannis Haralambous）、Aleph（Giuseppe Bilotta）、pdfTeX（Hàn Thế Thành）、MetaPost、Lua，以及标注着「用于 LuajitTeX」的 LuaJIT（Mike Pall）。Omega 与 Aleph 这一支多语言引擎的血脉，是很少有人知道的部分。开发起点在 ConTeXt 圈子，另一处则是 Oriental TeX 项目——一项面向阿拉伯语学术排版、尤其是校勘本的工作，由科罗拉多州立大学哲学系的 Idris Samawi Hamid 提出的经费资助了核心部分的重写；荷兰的 NTG、TUG 与德国的 DANTE 也提供了资金。「让 TeX 可编程」这个想法，源自一个非常具体的愿望：把阿拉伯文排得漂亮。

由于底座是 pdfTeX，LuaTeX 直接写出 PDF，并继承了 e-TeX 扩展与 pdfTeX 的大部分排版机制。不过 \pdf... 命名空间被整理过：其中许多如今经由 \pdfextension、\pdfvariable、\pdffeedback 三个入口接收关键字与参数，而 \pdfoutput 改名为 \outputmode，\pdfximage 改名为 \saveimageresource。日常写作中几乎不会手写这些，LaTeX 宏包会吸收差异。输入从一开始就是 UTF-8，字体和 XeTeX 一样可以用 fontspec 按系统名字指定——但负责载入的是 LuaTeX 自己用 Lua 写的加载器 luaotfload，它由 ConTeXt 的字体加载器改造而来，面向 Plain TeX 与 LaTeX，现由 LaTeX 团队的 latex3 维护。

\directlua：在文档中途运行 Lua

\directlua{...} 会当场立即执行其中的 Lua，而 tex.print(...) 送回来的字符串会回到 TeX 的输入流，被当作普通文本排版。这里有一件事，凡是第一次动手的人都会撞上：\directlua{tex.print(2^10)} 印出来的不是 1024，而是 1024.0。因为 LuaTeX 用的 Lua 5.3 里，^ 永远返回浮点数。想要整数就写 math.tointeger(2^10)。同样的性质在把 Lua 的计算结果赋给长度或计数器时也会咬人，LuaTeX 手册明确提醒 tostring 与 string.format 可能返回科学计数法，从而把 TeX 那一侧搞糊涂。

\documentclass{article}
\begin{document}
% careful: 2^10 is a float in Lua 5.3, so this prints 1024.0
Two to the tenth is \directlua{tex.print(2^10)}.

% and this prints 1024
Two to the tenth is \directlua{tex.print(math.tointeger(2^10))}.
\end{document}

它的兄弟 \latelua{...} 则在它所在的那一页被输出（shipout）时才运行。那些必须等页码与最终坐标定下来才能做的事——直接往 PDF 上绘制、贴上注释——归它管。把两者并排写进一份文档编译，日志会清楚显示这个差别：\directlua 的输出出现在 [1 之前，\latelua 的输出出现在其后。另有一条实务提示：原始的 \directlua 对花括号与特殊字符很挑剔，写长一点的 Lua 时请改用 luacode 宏包的 luacode 环境，可以原样粘贴且安全。

回调：把自己的函数插进排版过程

LuaTeX 真正的力量在回调。 TeX 把文本装配成一条由节点——字符、盒子、以及可伸缩的粘连（glue）——构成的链表；只要注册一个回调，你自己的 Lua 函数就会在每个这样的关节被调用，可以自由地检视并改写那条节点链表。TeX Live 2024 的 LuaTeX 公开了 74 个回调，手册把它们归成六类：文件查找、数据处理、节点链表处理、信息报告、PDF 相关、字体相关。下面的例子是真能跑的：它数出一个段落被断成了几行，并在运行结束时报出总数。

\documentclass{article}
\usepackage{luacode}
\begin{luacode*}
local count = 0
luatexbase.add_to_callback("post_linebreak_filter",
  function(head)
    for line in node.traverse_id(node.id("hlist"), head) do
      count = count + 1
    end
    return head
  end, "count lines")
luatexbase.add_to_callback("stop_run",
  function() texio.write_nl("LINES TYPESET: " .. count) end, "report")
\end{luacode*}
\begin{document}
This paragraph is broken into lines by TeX, and the Lua function
registered on post\_linebreak\_filter counts them as they go past.
\end{document}

例子里用 luatexbase.add_to_callback 而不是原始的 callback.register，是因为后者每个回调只允许挂一个函数。在 LaTeX 的世界里，好几个宏包都想在同一个位置介入，于是 luatexbase 把它们收拢成一份有序列表。操作节点的工具是一组从 Lua 可见的表：tex 是通向 TeX 内部状态（寄存器与长度）的窗口，node 负责创建、遍历与释放节点，token 处理记号（TeX 意义上的最小单位），font 处理字体数据，status 提供运行时信息。像 luaotfload 这样高级的字体机制，也正是用 Lua 建在这套底座之上的。

LuaJITTeX 现在怎么样了

它并没有消失。 TeX Live 2024 里装着 luajittex 与 luajithbtex 两个可执行文件，版本都是 1.18.0，fmtutil.cnf 中也有对应的格式定义。里面装的不是参考实现的 Lua，而是 LuaJIT——一种在运行时编译成机器码的即时编译实现。直接问它，jit.version 回答 LuaJIT 2.1.0-beta3，而 _VERSION 回答 Lua 5.1。也就是说，LuaJITTeX 的语言级别停在 5.1，与主线 LuaTeX（Lua 5.3）跑在不同的语言规范上。LuaTeX 手册也明说了这一点：LuaJIT 未与常规 Lua 的开发同步，因此 LuaJITTeX 会落后。

这个差别不是纸上谈兵。用四个二进制分别编译完全相同的一行 \directlua{tex.print(2^10)}，luatex 与 luahbtex 印出 1024.0，而 luajittex 与 luajithbtex 印出 1024——因为 Lua 5.3 区分整数与浮点数，5.1 不区分。仅仅换个引擎，文档的内容就变了，这正是不宜把 LuaJITTeX 当作 LuaLaTeX 的直接替代来推荐的原因之一。还有第二件、更具决定性的事实：fmtutil.cnf 为 LuaJIT 系引擎定义的只有 Plain 形式的格式，并不存在与 luajitlatex 对应的东西。想让 LaTeX 跑在 LuaJIT 之上，就得自己造格式；因此准确的说法是：它实际上并不在 LaTeX 用户的选项之列。

另一条继承线是 LuaMetaTeX：把 LuaTeX 削减后重写的精简版，是现代 ConTeXt（LMTX / MkXL）的底座。它重做了数学排版，加入大量新原语，语言用的是 Lua 5.4 一系。TeX Live 2024 随附 luametatex 2.11.02，而 context 命令本身就是指向它的符号链接。分工很清楚：写 LaTeX 用 LuaTeX，用最新的 ConTeXt 就用 LuaMetaTeX。

LuaLaTeX 真的慢吗——实测

确实更慢，但人们常把慢的位置搞错。 启动本身几乎没有区别：一份近乎空白的单页文档，pdfLaTeX 用 0.20 秒，XeLaTeX 0.30 秒，LuaLaTeX 0.32 秒（同一台机器，多次运行取最快值）。差距拉开的是随排版量增长的那一部分。同一份 417 页的数学文档，pdfLaTeX 用 0.40 秒，XeLaTeX 0.53 秒，LuaLaTeX 1.41 秒。扣掉启动、只看排版本身：XeLaTeX 约为 pdfLaTeX 的 1.2 倍，LuaLaTeX 则超过五倍。反过来说，十来页的论文，三者的差别根本感觉不到。

实务上有三条对策。其一，写作期间要减少往返次数，而不是追求单次速度——用 latexmk 之类只重编改动部分的自动构建，比换引擎更管用。其二，别把它和字体缓存的一次性成本混为一谈。 luaotfload 遇到没见过的字体会扫描并建立索引，那一趟会异常缓慢。所谓「LuaLaTeX 要跑几十秒」的说法多半就是这个，从第二次起就回到上表的数值。其三，在 CI 里要数往返与重跑的次数，而不是单次编译的开销。 如果构建为了交叉引用与目录要跑两三遍，每遍的差距就会被放大三倍。

内建 MetaPost 与日文（LuaTeX-ja）

LuaTeX 把绘图引擎 MetaPost 以库的形式内建为 MPlib，因此可以在同一个进程里生成图形，完全不必调用外部程序。从 LaTeX 一侧经由 luamplib 宏包，在 mplibcode 环境里直接书写 MetaPost 代码即可。实际编译一遍再查日志，找不到任何启动外部 mpost 的痕迹。这一点看似不起眼却很实用：在关闭 shell escape 的环境和 CI 里，图形照样能生成。

日文排版由 LuaTeX-ja（宏包 luatexja）负责。它在 Lua 一侧用回调重新实现了 pTeX 积累的日文排版知识——竖排、基于 JFM（Japanese Font Metrics） 的字距与标点处理、和文与西文之间的间隔——因此可说是本页所述回调机制最大的实例。配合 luatexja-fontspec，也能用 fontspec 的写法选择日文字体。但要注意：LuaHBTeX 的 HarfBuzz 整形与 LuaTeX-ja 的竖排、CID 机制的组合需要谨慎。 LuaTeX-ja 手册提醒，经由 HarfBuzz 定义的日文字体可能产生意料之外的结果。正式稿件请先用 TeX Live 附带的原之味字体与标准设置跑通 PDF，OpenType 特性或 HarfBuzz 选项则先在小规模试验中验证再引入。

\documentclass{ltjsarticle}
\usepackage{luatexja-fontspec}
% Harano Aji ships with TeX Live, so this builds anywhere
\setmainjfont{HaranoAjiMincho-Regular}
\setsansjfont{HaranoAjiGothic-Medium}
\begin{document}
\section{日本語}
Text and mathematics $E=mc^2$ go through the same engine.
\end{document}

用 LuaLaTeX 开始一份新文档

• 从 Unicode 源文件开始。 不要 inputenc，也不要 fontenc。带着 pdfLaTeX 时代的声明迁移，换来的只是警告和重复的字体设置。
• 让 fontspec 成为选字体的唯一入口。 对于共享的稿件，先做到用 TeX Live 附带字体能构建，再逐个替换。
• 日文用 luatexja。 竖排、JFM，以及和文与西文之间的间隔都由它照管。
• 较长的 Lua 放进 luacode 环境。 原始的 \directlua 对花括号与特殊字符很挑剔。
• 回调用 luatexbase.add_to_callback 注册。 原始的 callback.register 每个挂点只允许一个函数。
• 先做一份小样。 用一页把正文字体、日文字体、数学与参考文献都跑一遍，然后拿它当模板。

一句话的判断标准是：想伸手进排版本身就用 LuaLaTeX；只想按名字使用系统字体就用 XeLaTeX；以英文为主、看重速度与兼容性就用 pdfLaTeX。 三者的正面比较另有专页。由于 LaTeX 团队把新开发的目标定在 LuaTeX 上，如今新起的 Unicode／OpenType 工作流——尤其是需要写点处理逻辑的场合——LuaLaTeX 正在逐步成为默认选择。