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Lua中的metatable詳解

Lua 中 metatable 是一個(gè)普通的 table，但其主要有以下幾個(gè)功能：

1.定義算術(shù)操作符和關(guān)系操作符的行為
2.為 Lua 函數(shù)庫提供支持
3.控制對 table 的訪問

Metatables 定義操作符行為

Metatable 能夠被用于定義算術(shù)操作符和關(guān)系操作符的行為。例如：Lua 嘗試對兩個(gè) table 進(jìn)行加操作時(shí)，它會(huì)按順序檢查這兩個(gè) table 中是否有一個(gè)存在 metatable 并且這個(gè) metatable 是否存在 __add 域，如果 Lua 檢查到了這個(gè) __add 域，那么會(huì)調(diào)用它，這個(gè)域被叫做 metamethod。

Lua 中每個(gè) value 都可以有一個(gè) metatable（在 Lua 5.0 只有 table 和 userdata 能夠存在 metatable）。每個(gè) table 和 userdata value 都有一個(gè)屬于自己的 metatable，而其他每種類型的所有 value 共享一個(gè)屬于本類型的 metatable。在 Lua 代碼中，通過調(diào)用 setmetatable 來設(shè)置且只能設(shè)置 table 的 metatable，在 C/C++ 中調(diào)用 Lua C API 則可以設(shè)置所有 value 的 metatable。默認(rèn)的情況下，string 類型有自己的 metatable，而其他類型則沒有：

復(fù)制代碼代碼如下:

print(getmetatable('hi')) --> table: 003C86B8

print(getmetatable(10))  --> nil

Metamethod 的參數(shù)為操作數(shù)（operands），例如：

復(fù)制代碼代碼如下:

local mt = {}

function mt.__add(a, b)

    return 'table + ' .. b

end

local t = {}

setmetatable(t, mt)

print(t + 1)

每個(gè)算術(shù)操作符有對應(yīng)的 metamethod：

+	__add
*	__mul
-	__sub
/	__div
-	__unm (for negation)
%	__mod
^	__pow

對于連接操作符有對應(yīng)的 metamethod：__concat

同樣，對于關(guān)系操作符也都有對應(yīng)的 metamethod：

==	__eq
	__lt
=	__le

其他的關(guān)系操作符都是用上面三種表示：
a ~= b 表示為 not (a == b)
a > b 表示為 b a
a >= b 表示為 b = a

和算術(shù)運(yùn)算符不同的是，關(guān)系運(yùn)算符用于比較擁有不同的 metamethod（而非 metatable）的兩個(gè) value 時(shí)會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤，例外是比較運(yùn)算符，擁有不同的 metamethod 的兩個(gè) value 比較的結(jié)果是 false。

不過要注意的是，在整數(shù)類型的比較中 a = b 可以被轉(zhuǎn)換為 not (b a)，但是如果某類型的所有元素并未適當(dāng)排序，此條件則不一定成立。例如：浮點(diǎn)數(shù)中 NaN（Not a Number）表示一個(gè)未定義的值，NaN = x 總是為 false 并且 x NaN 也總為 false。

為 Lua 函數(shù)庫提供支持

Lua 庫可以定義和使用的 metamethod 來完成一些特定的操作，一個(gè)典型的例子是 Lua Base 庫中 tostring 函數(shù)（print 函數(shù)會(huì)調(diào)用此函數(shù)進(jìn)行輸出）會(huì)檢查并調(diào)用 __tostring metamethod：

復(fù)制代碼代碼如下:

local mt = {}

mt.__tostring = function(t)

    return '{' .. table.concat(t, ', ') .. '}'

end

local t = {1, 2, 3}

print(t)

setmetatable(t, mt)

print(t)

另外一個(gè)例子是 setmetatable 和 getmetatable 函數(shù)，它們定義和使用了 __metatable 域。如果你希望設(shè)定的 value 的 metatable 不被修改，那么可以在 value 的 metatable 中設(shè)置 __metatable 域，getmetatable 將返回此域，而 setmetatable 則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤：

復(fù)制代碼代碼如下:

mt.__metatable = "not your business"

local t = {}

setmetatable(t, mt)

print(getmetatable(t)) --> not your business

setmetatable(t, {})

    stdin:1: cannot change protected metatable

看一個(gè)完整的例子：

復(fù)制代碼代碼如下:

Set = {}

local mt = {}

function Set.new(l)

    local set = {}

    -- 為 Set 設(shè)置 metatable

    setmetatable(set, mt)

    for _, v in ipairs(l) do set[v] = true end

    return set

end

function Set.union(a, b)

    -- 檢查 a b 是否都是 Set

    if getmetatable(a) ~= mt or getmetatable(b) ~= mt then

        -- error 的第二個(gè)參數(shù)為 level

        -- level 指定了如何獲取錯(cuò)誤的位置

        -- level 值為 1 表示錯(cuò)誤的位置為 error 函數(shù)被調(diào)用的位置

        -- level 值為 2 表示錯(cuò)誤的位置為調(diào)用 error 的函數(shù)被調(diào)用的地方

        error("attempt to 'add' a set with a not-set value", 2)

    end

    local res = Set.new{}

    for k in pairs(a) do res[k] = true end

    for k in pairs(b) do res[k] = true end

    return res

end

function Set.intersection(a, b)

    local res = Set.new{}

    for k in pairs(a) do

        res[k] = b[k]

    end

    return res

end

mt.__add = Set.union

mt.__mul = Set.intersection

mt.__tostring = function(s)

    local l = {}

    for e in pairs(s) do

        l[#l + 1] = e

    end

    return '{' .. table.concat(l, ', ') .. '}'

end

mt.__le = function(a, b)

    for k in pairs(a) do

        if not b[k] then return false end

    end

    return true

end

mt.__lt = function(a, b)

    return a = b and not (b = a)

end

mt.__eq = function(a, b)

    return a = b and b = a

end

local s1 = Set.new({1, 2, 3})

local s2 = Set.new({4, 5, 6})

print(s1 + s2)

print(s1 ~= s2)

控制 table 的訪問

__index metamethod

在我們訪問 table 的不存在的域時(shí)，Lua 會(huì)嘗試調(diào)用 __index metamethod。__index metamethod 接受兩個(gè)參數(shù) table 和 key：

復(fù)制代碼代碼如下:

local mt = {}

mt.__index = function(table, key)

    print('table -- ' .. tostring(table))

    print('key -- ' .. key)

end

local t = {}

setmetatable(t, mt)

local v = t.a

__index 域也可以是一個(gè) table，那么 Lua 會(huì)嘗試在 __index table 中訪問對應(yīng)的域：

復(fù)制代碼代碼如下:

local mt = {}

mt.__index = {

    a = 'Hello World'

}

local t = {}

setmetatable(t, mt)

print(t.a) --> Hello World

我們通過 __index 可以容易的實(shí)現(xiàn)單繼承（類似于 JavaScrpit 通過 prototype 實(shí)現(xiàn)單繼承），如果 __index 是一個(gè)函數(shù)，則可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能：多重繼承、caching 等。我們可以通過 rawget(t, i) 來訪問 table t 的域 i，而不會(huì)訪問 __index metamethod，注意的是，不要太指望通過 rawget 來提高對 table 的訪問速度（Lua 中函數(shù)的調(diào)用開銷遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對表的訪問的開銷）。

__newindex metamethod

如果對 table 的一個(gè)不存在的域賦值時(shí)，Lua 將檢查 __newindex metamethod：

1.如果 __newindex 為函數(shù)，Lua 將調(diào)用函數(shù)而不是進(jìn)行賦值
2.如果 __newindex 為一個(gè) table，Lua 將對此 table 進(jìn)行賦值

如果 __newindex 為一個(gè)函數(shù)，它可以接受三個(gè)參數(shù) table key value。如果希望忽略 __newindex 方法對 table 的域進(jìn)行賦值，可以調(diào)用 rawset(t, k, v)

結(jié)合 __index 和 __newindex 可以實(shí)現(xiàn)很多功能，例如：

1.OOP
2.Read-only table
3.Tables with default values

Read-only table

復(fù)制代碼代碼如下:

function readOnly(t)

    local proxy = {}

    local mt = {

        __index = t,

        __newindex = function(t, k, v)

            error('attempt to update a read-only table', 2)

        end

    }

    setmetatable(proxy, mt)

    return proxy

end

days = readOnly{'Sun', 'Mon', 'Tues', 'Wed', 'Thur', 'Fri', 'Sat'}

print(days[1])

days[2] = 'Noday' --> stdin:1: attempt to update a read-only table

有時(shí)候，我們需要為 table 設(shè)定一個(gè)唯一的 key，那么可以使用這樣的技巧：

復(fù)制代碼代碼如下:

local key = {} -- unique key

local t = {}

t[key] = value

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