lua编程之元表与元方法

一、 前言

lua是一种非常轻量的动态类型语言，在1993年由由Roberto Ierusalimschy、Waldemar Celes 和 Luiz Henrique de Figueiredo等人发明，lua的设计目标是轻便地嵌入宿主语言，增强系统的可扩展性和可定制性。lua的源码只有两万余行，非常精简小巧，在目前的脚本引擎中，lua的速度是最快的，这也是lua进入程序设计语言前20名，如今已经广泛应用于游戏行业，这几篇文章将会讨论下lua的几个比较重要的特性。

一门语言的类型系统是其最根本的特征，所以本文先从与lua的类型系统关系最紧密的元表和元方法谈起。作为一门轻量级语言，lua的核心非常精简，它的基本类型只有8种：nil，boolean，number，string，userdata，function，thread和table，其中table是唯一的数据结构，是lua中最重要的类型，可以作为其他数据结构的基础，如数组，链表，队列和集合等都可以通过table实现。更强大的是，lua还为table提供了自定义操作的功能。在c++等面向对象语言中，类的可操作行为由成员函数决定。lua中，元方法就是table的“成员函数”，为不同的table提供特殊的操作行为，元表是元方法的集合。通过元表和元方法，table可以直接实现类，继承等面向对象特性。

二、 元表元方法介绍

lua中每个值其实都有元表，不过每个table和userdata都可以有自己专有的元表，（userdata是宿主中的数据结构，可以使用宿主语言的方法，为了限制过度对其使用元表，不能在lua脚本中直接设置,需通过lua_setmetatable创建，这里不讨论），而其他类型的预定义操作都在一个共享的元表中，新的table默认没有元表，必须通过setmetatable和getmetatable设置和查询元表。

t = ｛｝
assert（getmetatable（t）== nil）  
t1 = {}
setmetatable(t, t1)
assert(getmetatable(t) == t1)

在元表中定义的函数就是元方法，table的元方法分为算数类，关系类，库定义和访问类的元方法。

1. 算数类元方法

lua的算数类元方法都有对应的字段名，包括__add, __mul,__sub, __div,__mod和__pow等，下面示例了如何定义两个table的加法操作，

a = { "a1", "a2","a3" }
b = { "b1", "b2", "b3" }
meta = { }
meta.__add = function(t1, t2)
  t = { }
  for k,  v in ipairs(t1) do
    table.insert(t, v)
  end
  for k, v in ipairs(t2) do
    table.insert(t, v)
  end
  return t
end
setmetatable(a, meta)
c = a+b
for _,v in ipairs(c) do
  print(v)
end

上面代码中只需要给表a设置了元表，表b没有元表也能正常运行，这与lua查找元表的顺序有关系。lua先查找第一个table，如果有元表并且其中有 __add方法就调用该方法，不关心第二个table有没有元表；否则查找第二个table有没有__add的元方法，有就调用第二个table的元方法；如果都没有这个元方法就引发一个错误。

2. 关系类元方法

关系类元方法只有等于__eq，小于__lt和小于等于__le这3个操作，其他3个会自动转化，如a>b会自动转为b<a.

a = { "a1", "a2" }
b = {  "b1", "b2", "b3" }
meta = { }
meta.__le = function(a, b) 
  for k in pairs(a) do
    if not b[k] then return false end
  end
  return true
end
meta.__lt = function(a, b)
  return a<=b and not (b<=a)
end
meta.__eq = function(a, b)
  return a<=b and b<=a
end
setmetatable(a, meta)
setmetatable(b, meta)
print(a<=b)
print(a<b)
print(a>=a)
print(b>a)
print(b<a)

与算法类元方法不同，table必须具有相同的元方法才能用于比较操作。

3. 库定义的元方法

上面的元方法都是lua核心具有的，是lua虚拟机定义的，除此之外，各种程序库也会用自己的字段定义元方法，比如print总是调用table的tostring方法，

a = { "a1", "a2" }
meta.__tostring = function(a)
  local l = { }
  for _,k in pairs(a) do
    l[#l+1] = k;
  end
  return "{"..table.concat(l, ",").."}"
end
setmetatable(a, meta)
print（a）

4. 访问类元方法

访问元方法使用最普遍的是__index和__newindex。一般当访问一个table中不存在的元素时会返回nil，但是如果table具有__index元方法，就不返回nil而是调用这个元方法。利用__index可以方便地实现继承，

mt = { }
mt.__index = function(t, k)
  return base[k]
end

base = { b1 = 1, b2 = 2, b3 = 3 }
derive = { d = 4 }

setmetatable(derive, mt)

print(derive.b1)
print(derive.d)

当对table中不存在的索引赋值时就会调用__newindex元方法，

mt = { }
mt.__newindex = function(t, k, v)
  base[k] = v
end
base = { b1 = 1, b2 = 2, b3 = 3 }
derive = { d1 = 4 }
setmetatable(derive, mt)
derive["d2"] = 5
print(base.d2)

三、 元表元方法实例

下面是一个使用元方法的实例，用于产生迭代递增表，

T = { container = { } }

T.mt = {

  __add = function(a, b)
    local c = T.new{}
    for k,v in pairs(T.new(a)) do
      c[k] = v
    end
    for k,v in pairs(T.new(b)) do
      c[k] = v
    end
    return c
  end,

  __sub = function(a, b)
    local c = T.new{}
    for k,v in pairs(T.new(a)) do
      c[k] = v
    end
    for k,v in pairs(T.new(b)) do
      c[k] = nil
    end
    return c
  end,

  __tostring = function(a)
    local l = { }
    for k in pairs(a) do
      l[#l+1] = k;
    end
    return "{"..table.concat(l, ",").."}"
  end
}

T.new = function(t)
  if (t == nil) then t = {} end
  if (getmetatable(t) == T.mt) then return t end
 local r = {}
  for _, b in ipairs(t) do
    r[tostring(b)] = true
  end
  setmetatable(r, T.mt)
  return r
end

T.print = function(t) 
   for k, v in pairs(t.container) do
     print(k)
     print(v)
   end
 end

local mt = {
  __newindex = function(t, k, v)
    t.container[k] = T.new(v)
  end,

  __index = function(t, k)
    return t.container[k]
  end,
}

setmetatable(T, mt)

T["first"] = { "a1", "b1"}
print("elements in table first")
T.print(T)
T["second"] = T["first"] + { "a2", "b2", "a3", "b3"}
print("elements in table first and  second")
T.print(T)
T["third"] = T["second"] - { "a3", "b3" }
print("elements in table first, second and third")
T.print(T)