Lua中的元表與元方法

2022-09-13 16:35 更新

前言

Lua中每個值都可具有元表。 元表是普通的Lua表，定義了原始值在某些特定操作下的行為。你可通過在值的原表中設(shè)置特定的字段來改變作用于該值的操作的某些行為特征。

例如，當(dāng)一個非數(shù)字值作為加法的操作數(shù)時，Lua檢查其元表中的"__add"字段是否有個函數(shù)。如果有，Lua調(diào)用它執(zhí)行加法。

我們稱元表中的鍵為事件（event），稱值為元方法（metamethod）。前述例子中的事件是"add"，元方法是執(zhí)行加法的函數(shù)。

可通過函數(shù)getmetatable查詢?nèi)魏沃档脑怼?/p>

在table中，我可以重新定義的元方法有以下幾個：

__add(a, b) --加法
__sub(a, b) --減法
__mul(a, b) --乘法
__div(a, b) --除法
__mod(a, b) --取模
__pow(a, b) --乘冪
__unm(a) --相反數(shù)
__concat(a, b) --連接
__len(a) --長度
__eq(a, b) --相等
__lt(a, b) --小于
__le(a, b) --小于等于
__index(a, b) --索引查詢
__newindex(a, b, c) --索引更新（PS：不懂的話，后面會有講）
__call(a, ...) --執(zhí)行方法調(diào)用
__tostring(a) --字符串輸出
__metatable --保護(hù)元表

Lua中的每一個表都有其Metatable。Lua默認(rèn)創(chuàng)建一個不帶metatable的新表

t = {}
print(getmetatable(t)) --> nil

可以使用setmetatable函數(shù)設(shè)置或者改變一個表的metatable 

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

任何一個表都可以是其他一個表的metatable，一組相關(guān)的表可以共享一個metatable（描述他們共同的行為）。一個表也可以是自身的metatable（描述其私有行為）。
接下來就介紹介紹如果去重新定義這些方法。

算術(shù)類的元方法

現(xiàn)在我使用完整的實例代碼來詳細(xì)的說明算術(shù)類元方法的使用。 

Set = {}
local mt = {} -- 集合的元表

-- 根據(jù)參數(shù)列表中的值創(chuàng)建一個新的集合
function Set.new(l)
    local set = {}
     setmetatable(set, mt)
    for _, v in pairs(l) do set[v] = true end
     return set
end

-- 并集操作
function Set.union(a, b)
    local retSet = Set.new{} -- 此處相當(dāng)于Set.new({})
    for v in pairs(a) do retSet[v] = true end
    for v in pairs(b) do retSet[v] = true end
    return retSet
end

-- 交集操作
function Set.intersection(a, b)
    local retSet = Set.new{}
    for v in pairs(a) do retSet[v] = b[v] end
    return retSet
end

-- 打印集合的操作
function Set.toString(set)
     local tb = {}
     for e in pairs(set) do
          tb[#tb + 1] = e
     end
     return "{" .. table.concat(tb, ", ") .. "}"
end

function Set.print(s)
     print(Set.toString(s))
end

現(xiàn)在，我定義“+”來計算兩個集合的并集，那么就需要讓所有用于表示集合的table共享一個元表，并且在該元表中定義如何執(zhí)行一個加法操作。首先創(chuàng)建一個常規(guī)的table，準(zhǔn)備用作集合的元表，然后修改Set.new函數(shù)，在每次創(chuàng)建集合的時候，都為新的集合設(shè)置一個元表。代碼如下： 

Set = {}
local mt = {} -- 集合的元表

-- 根據(jù)參數(shù)列表中的值創(chuàng)建一個新的集合
function Set.new(l)
    local set = {}
     setmetatable(set, mt)
    for _, v in pairs(l) do set[v] = true end
     return set
end

在此之后，所有由Set.new創(chuàng)建的集合都具有一個相同的元表，例如： 

local set1 = Set.new({10, 20, 30})
local set2 = Set.new({1, 2})
print(getmetatable(set1))
print(getmetatable(set2))
assert(getmetatable(set1) == getmetatable(set2))

最后，我們需要把元方法加入元表中，代碼如下： 

mt.__add = Set.union

這以后，只要我們使用“+”符號求兩個集合的并集，它就會自動的調(diào)用Set.union函數(shù)，并將兩個操作數(shù)作為參數(shù)傳入。比如以下代碼： 

local set1 = Set.new({10, 20, 30})
local set2 = Set.new({1, 2})
local set3 = set1 + set2
Set.print(set3)

在上面列舉的那些可以重定義的元方法都可以使用上面的方法進(jìn)行重定義。現(xiàn)在就出現(xiàn)了一個新的問題，set1和set2都有元表，那我們要用誰的元表??？雖然我們這里的示例代碼使用的都是一個元表，但是實際coding中，會遇到我這里說的問題，對于這種問題，Lua是按照以下步驟進(jìn)行解決的：

  1. 對于二元操作符，如果第一個操作數(shù)有元表，并且元表中有所需要的字段定義，比如我們這里的__add元方法定義，那么Lua就以這個字段為元方法，而與第二個值無關(guān)；
  2. 對于二元操作符，如果第一個操作數(shù)有元表，但是元表中沒有所需要的字段定義，比如我們這里的__add元方法定義，那么Lua就去查找第二個操作數(shù)的元表；
  3. 如果兩個操作數(shù)都沒有元表，或者都沒有對應(yīng)的元方法定義，Lua就引發(fā)一個錯誤。

以上就是Lua處理這個問題的規(guī)則，那么我們在實際編程中該如何做呢？
比如set3 = set1 + 8這樣的代碼，就會打印出以下的錯誤提示： 

lua: test.lua:16: bad argument #1 to 'pairs' (table expected, got number)

但是，我們在實際編碼中，可以按照以下方法，彈出我們定義的錯誤消息，代碼如下： 

function Set.union(a, b)
     if getmetatable(a) ~= mt or getmetatable(b) ~= mt then
          error("metatable error.")
     end

    local retSet = Set.new{} -- 此處相當(dāng)于Set.new({})
    for v in pairs(a) do retSet[v] = true end
    for v in pairs(b) do retSet[v] = true end
    return retSet
end

當(dāng)兩個操作數(shù)的元表不是同一個元表時，就表示二者進(jìn)行并集操作時就會出現(xiàn)問題，那么我們就可以打印出我們需要的錯誤消息。

上面總結(jié)了算術(shù)類的元方法的定義，關(guān)系類的元方法和算術(shù)類的元方法的定義是類似的，這里不做累述。

__tostring元方法

寫過Java或者C#的人都知道，Object類中都有一個tostring的方法，程序員可以重寫該方法，以實現(xiàn)自己的需求。在Lua中，也是這樣的，當(dāng)我們直接print(a)（a是一個table）時，是不可以的。那怎么辦，這個時候，我們就需要自己重新定義tostring元方法，讓print可以格式化打印出table類型的數(shù)據(jù)。
函數(shù)print總是調(diào)用tostring來進(jìn)行格式化輸出，當(dāng)格式化任意值時，tostring會檢查該值是否有一個tostring的元方法，如果有這個元方法，tostring就用該值作為參數(shù)來調(diào)用這個元方法，剩下實際的格式化操作就由__tostring元方法引用的函數(shù)去完成，該函數(shù)最終返回一個格式化完成的字符串。例如以下代碼：

mt.__tostring = Set.toString

如何保護(hù)我們的“奶酪”——元表

我們會發(fā)現(xiàn)，使用getmetatable就可以很輕易的得到元表，使用setmetatable就可以很容易的修改元表，那這樣做的風(fēng)險是不是太大了，那么如何保護(hù)我們的元表不被篡改呢？在Lua中，函數(shù)setmetatable和getmetatable函數(shù)會用到元表中的一個字段，用于保護(hù)元表，該字段是metatable。當(dāng)我們想要保護(hù)集合的元表，是用戶既不能看也不能修改集合的元表，那么就需要使用metatable字段了；當(dāng)設(shè)置了該字段時，getmetatable就會返回這個字段的值，而setmetatable則會引發(fā)一個錯誤；如以下演示代碼：

function Set.new(l)
    local set = {}
     setmetatable(set, mt)
    for _, v in pairs(l) do set[v] = true end
     mt.__metatable = "You cannot get the metatable" -- 設(shè)置完我的元表以后，不讓其他人再設(shè)置
     return set
end

local tb = Set.new({1, 2})
print(tb)

print(getmetatable(tb))
setmetatable(tb, {})

上述代碼就會打印以下內(nèi)容： 

{1, 2}
You cannot get the metatable
lua: test.lua:56: cannot change a protected metatable

__index元方法

是否還記得當(dāng)我們訪問一個table中不存在的字段時，會返回什么值？默認(rèn)情況下，當(dāng)我們訪問一個table中不存在的字段時，得到的結(jié)果是nil。但是這種狀況很容易被改變；Lua是按照以下的步驟決定是返回nil還是其它值得：

  1. 當(dāng)訪問一個table的字段時，如果table有這個字段，則直接返回對應(yīng)的值；
  2. 當(dāng)table沒有這個字段，則會促使解釋器去查找一個叫__index的元方法，接下來就就會調(diào)用對應(yīng)的元方法，返回元方法返回的值；
  3. 如果沒有這個元方法，那么就返回nil結(jié)果。

下面通過一個實際的例子來說明__index的使用。假設(shè)要創(chuàng)建一些描述窗口，每個table中都必須描述一些窗口參數(shù)，例如顏色，位置和大小等，這些參數(shù)都是有默認(rèn)值得，因此，我們在創(chuàng)建窗口對象時可以指定那些不同于默認(rèn)值得參數(shù)。 

Windows = {} -- 創(chuàng)建一個命名空間

-- 創(chuàng)建默認(rèn)值表
Windows.default = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100, color = {r = 255, g = 255, b = 255}}

Windows.mt = {} -- 創(chuàng)建元表

-- 聲明構(gòu)造函數(shù)
function Windows.new(o)
     setmetatable(o, Windows.mt)
     return o
end

-- 定義__index元方法
Windows.mt.__index = function (table, key)
     return Windows.default[key]
end

local win = Windows.new({x = 10, y = 10})
print(win.x)               -- >10 訪問自身已經(jīng)擁有的值
print(win.width)          -- >100 訪問default表中的值
print(win.color.r)          -- >255 訪問default表中的值

根據(jù)上面代碼的輸出，結(jié)合上面說的那三步，我們再來看看，print(win.x)時，由于win變量本身就擁有x字段，所以就直接打印了其自身擁有的字段的值；print(win.width)，由于win變量本身沒有width字段，那么就去查找是否擁有元表，元表中是否有index對應(yīng)的元方法，由于存在index元方法，返回了default表中的width字段的值，print(win.color.r)也是同樣的道理。

在實際編程中，__index元方法不必一定是一個函數(shù)，它還可以是一個table。當(dāng)它是一個函數(shù)時，Lua以table和不存在key作為參數(shù)來調(diào)用該函數(shù)，這就和上面的代碼一樣；當(dāng)它是一個table時，Lua就以相同的方式來重新訪問這個table，所以上面的代碼也可以是這樣的：

-- 定義__index元方法
Windows.mt.__index = Windows.default

__newindex元方法

newindex元方法與index類似，newindex用于更新table中的數(shù)據(jù)，而index用于查詢table中的數(shù)據(jù)。當(dāng)對一個table中不存在的索引賦值時，在Lua中是按照以下步驟進(jìn)行的：

Lua解釋器先判斷這個table是否有元表；

  1. 如果有了元表，就查找元表中是否有__newindex元方法；如果沒有元表，就直接添加這個索引，然后對應(yīng)的賦值；
  2. 如果有這個__newindex元方法，Lua解釋器就執(zhí)行它，而不是執(zhí)行賦值；
  3. 如果這個__newindex對應(yīng)的不是一個函數(shù)，而是一個table時，Lua解釋器就在這個table中執(zhí)行賦值，而不是對原來的table。

那么這里就出現(xiàn)了一個問題，看以下代碼： 

local tb1 = {}
local tb2 = {}

tb1.__newindex = tb2
tb2.__newindex = tb1

setmetatable(tb1, tb2)
setmetatable(tb2, tb1)

tb1.x = 10

發(fā)現(xiàn)什么問題了么？是不是循環(huán)了，在Lua解釋器中，對這個問題，就會彈出錯誤消息，錯誤消息如下：

loop in settable

引用博客：http://www.jellythink.com/archives/511

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