lua编程之元表与元方法

时间:2023-03-08 16:01:49

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+] = 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 = , b2 = , b3 = }
derive = { d = } 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 = , b2 = , b3 = }
derive = { d1 = }
setmetatable(derive, mt)
derive["d2"] =
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+] = 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)