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使用Lua来扩展C++程序的方法

以Lua5.2为例,阐述将其嵌入C++程序的方法:初始化Lua状态机、加载并执行脚本,通过API调用全局函数。提供C++辅助类封装简化调用过程,实现POS应用程序的脚本扩展,增强灵活性与可定制性,支持热更新。

让软件有更高的可塑性,让用户能通过脚本定制行为,这是很多应用走向成熟的关键一步。从 Microsoft Office 的 VBA 到《魔兽世界》里的 Lua,脚本引擎把应用变成了一个平台,终端用户可以在上面自由施展。而嵌入脚本语言,可选方案其实不少:开源的、商业的,甚至自己从头写一个。Ja vaScript、Lua、Python 是当下最主流的几个选择。在 Windows 平台上,常规做法就是把脚本引擎打包成 DLL,然后通过 API 调用它。

接下来,我们就以 Lua 5.2 为例,看看如何把它嵌入到 C++ 代码中。开发环境是 Visual Studio 2005,但思路对后续版本同样适用。动手之前,需要先从 Lua 官网下载必要的组件,包括编译好的 DLL、头文件和导入库。有一点得提醒一下:最终生成的可执行文件必须带上 Lua 的 DLL,否则运行时就会提示缺少文件。文章中提供的测试代码都是用 VS 2005 写的,但向后兼容性很好。

使用Lua来扩展C++程序的方法

这篇文章不是 Lua 的全面文档,而是通过一个具体实现,带你快速上手。Lua 官网(lua.org)和很多网站都有更深入的资料,这里只是提供一个“起手式”,帮你迈出第一步。

产品开发中,把一个完整应用做成平台,和做一个单体应用,策略完全不同。平台需要给用户提供丰富的插件工具和服务,让他们自己搞定特定的需求。这个思路在微软 Office、Visual Studio、Eclipse、Photoshop 甚至《魔兽世界》的世界里都屡见不鲜。作为一款商业 POS 应用程序,GenPOS 也具备一些类似的平台特性:布局管理器允许用户调整窗口、按钮的位置和文字;字符控制功能可以自动化工作流;丰富的参数化设计能改软件功能;数据库助记符让多语言显示更容易;远程接口可以动态改变参数;甚至还提供接口获取财物的运行状态数据。

不过,总有一些模块是直接由源代码控制的——比如打印收据(虽然显示内容部分来自参数)。这些模块的修改依赖开发团队。简单列举一下现有机制的局限:字符控制功能缺少状态测试和跳转;无法根据当前状态动态修改显示信息。

与其在一个简陋的字符控制功能上打补丁,不如找一种更灵活的方案——不折腾、不伤筋动骨,还能提供更多扩展能力。就像我们之前引入布局管理器让客户自己设计界面一样,我们也希望经销商能通过脚本为他们的客户提供增值服务。更进一步,我们希望开放足够的应用服务访问权限,让经销商甚至最终用户都能修改应用行为。而且,最好选用一个社区活跃、资源丰富的语言。

我们用 Lua 5.2 脚本引擎在 POS 源代码上做了些简单实验,看看往程序里加功能到底有多难。实验结果令人欣慰:我们想呈现的功能基本都能实现,只要对 Lua 脚本引擎做点小调整就能用起来。

使用 Lua 5.2 脚本引擎

Lua 脚本引擎本身是用 C 写的,在 C++ 里使用它也非常直接。网上能找到大量集成 Lua 5.2 的代码片段。Lua 5.2 的 API 跟旧版相比,只有初始化和启动等少数接口有变化,所以老脚本基本不用改,或只做微小调整就能迁移过来。

基本的初始化步骤就两步:

  • 调用 lua_newstate() 创建一个新的 Lua 状态机。
  • 有需要的话,调用 luaL_openlibs() 加载 Lua 标准库。

初始化之后,要执行一段 Lua 脚本也简单:先用 luaL_loadfile 把脚本加载到引擎,再调用 lua_pcall 执行它。

关键点来了:如果你想在应用里加载 Lua 脚本并调用其中的函数,必须执行被加载的 Lua 程序块(chunk)。刚加载的程序块只是编译后的二进制数据,还没跑起来。只有在 lua_pcall 之后,Lua 里的全局变量和函数才会被创建,在此之前应用是看不见它们的。反过来,应用想给 Lua 提供全局变量或函数,也得先创建它们,然后用 lua_setglobal() 把值注册进 Lua 环境。文件 UtilityFunctions.cpp 里的函数 int LuaSimpleWrapper::TriggerGlobalCall() 就是一个例子——它在 Lua 虚拟栈上动态构造一个函数调用,再用 lua_pcall() 带着参数执行它。

所有 Lua API 都需要一个会话句柄:lua_State* 指针。每次成功调用 lua_newstate() 都会返回一个 lua_State*,失败则返回 NULL。这个结构体标识了特定的 Lua 会话,允许同时运行多个并行会话。当应用调用 Lua 函数,或者 Lua 调用应用提供的服务函数时,这个 lua_State 用来区分是哪个会话。这意味着,应用提供给 Lua 的服务函数必须是完全可重入的,或者通过信号量、临界区来保证线程安全。

使用代码

Visual Studio 2005 工程目录下包含了三个 C++ 文件和一个测试用的 Lua 脚本。主文件 Parser01.cpp 负责加载 Lua 文件并调用某些函数。UtilityFunctions.cpp 实现了 LuaSimpleWrapper 类的方法。InitEnviron.cpp 则包含了我们希望提供给 Lua 环境的函数。

我们设想的方案是这样的:POS 启动时,会指定一个 Lua 脚本文件路径。然后启动一个初始化 Lua 引擎并加载该脚本的线程。Lua 块会一直驻留在内存中,后续 POS 中的事件会派发给 Lua 脚本处理。这个示例程序的测试工具,就是对这种方案的一个初步探索。

在下面的 Lua 函数中,我们使用了 InitEnviron.cpp 里提供的几个函数,专门用来处理非标准 Lua 字符串的“宽字符串”。标准 Lua 字符串是单字节 char 类型的。这些附加函数提供了宽字符串的连接、比较等方法。

下面展示一个 Lua 函数 xxfunc,它接收三个参数并执行一系列操作。这是一个全局函数,应用可以通过 lua_getglobal() 从 Lua 全局字典中检索到它,然后像 lua_pushstring() 把参数压入堆栈,最后调用 lua_pcall() 执行。

-- a sample Lua global function that can be invoked from the application or from Lua
function xxfunc (myMessage, wide1, wide2)
    trace("## xxfunc() called.")
    trace("  "..myMessage)
    trace ("  myFrame index "..myFrame.FrameIndex)
    trace ("  myFrame2 index "..myFrame2.FrameIndex)
    trace ("  myFrame3 index "..myFrame3.FrameIndex)
    
    -- compare two wide char strings that were passed in as arguments
    trace ("  compare wide "..wcscmp(wide1, wide2))
    
    -- generate a wide char string from a Lua string
    local widestring = wcscre("WIDE1")
    trace ("  compare with generated "..wcscmp (wide1, widestring))
    
    -- try out the wcscat and the wcscre functions to generate a string
    traceW (wcscat (wcscre("  concat two "), wcscat(wide1, wide2)))
    
    traceW (wcscat (wcscre("  concat multi "), wide1, wcscre(" "), wide2))
    
    -- tryout wcscat with a non-string argument which should be skipped.
    traceW (wcscat (wcscre("  concat multi "), 2, wcscre(" "), wide2))
  
    local myMemEntry = GetMnemonic (15)
    if (myMessage) then
        if (myMessage.Type == "FRAMEWORK") then
            local myNem = GetMnemonic (20)
        end
    end
end

这个已被加载的 Lua 函数可以由应用程序调用。借助 LuaSimpleWrapper 类的辅助函数 TriggerGlobalCall(),我们可以用一行 C++ 代码来调用它。这个函数需要一个描述性字符串来标识要调用的全局 Lua 函数(函数名、变量或表实例的方法),并跟着实际参数。这种可变参数调用很容易成为运行时错误的根源——因为它涉及三个必须匹配的源:TriggerGlobalCall() 中的描述字符串、提供的实际参数、被调用的 Lua 函数。

if (myLua.TriggerGlobalCall ("xxfunc:s,w,w", "TriggerGlobalCall", L"WIDE1", L"WIDE2") < 0) {
    cout << "%% " << myLua.GetLastErrorString() << endl ;
}

描述字符串用逗号分隔参数类型,每个字母代表一种类型:s 表示 ANSI 字符串,w 表示宽字符串,f 表示浮点型,i 表示整型,p 表示函数指针。逗号只是为了可读性,实际在解析时被忽略。

上面的调用会产生如下输出,由 Lua 函数加工参数后打印出来:

## xxfunc() called.
  TriggerGlobalCall
  myFrame index 0
  myFrame2 index 1
  myFrame3 index 2
  compare wide -1
  compare with generated 0
  concat two WIDE1WIDE2
  concat multi WIDE1 WIDE2
  concat multi  WIDE2
  getTransactionMnemonic() 15

此外,TriggerGlobalCall() 还支持指定一个表里的函数:描述字符串格式为 tablename.key,其中 tablename 是 Lua 全局的表名,key 是访问函数的键值。

// specify a function to be invoked by the OnEvent() handler
// specify a different event type which is not in the Lua script
if (myLua.TriggerGlobalCall ("myFrame2.OnEvent:s,f", "EVENT_TYPE_J2", SimpleFunc) < 0) {
    cout << "%% " << myLua.GetLastErrorString() << endl;
}

将C/C++函数导出到Lua引擎中

要在 Lua 脚本里使用 C/C++ 辅助函数,应用程序需要提供函数体,并用合适的 Lua API 把它注册到 Lua 环境中。基本流程是:将若干值压入 Lua 虚拟堆栈,然后调用 lua_setglobal() 将其设置为全局变量。

lua_pushcclosure (lua, concatMultiWideStrings, 0);
lua_setglobal (lua, "wcscat");

Lua 支持闭包。当 Lua 脚本调用应用函数时,闭包允许应用向该函数传递一些额外的值(上值)。这些值可以被函数更新——比如用一个计数器来生成唯一 ID。在 LuaSimpleWrapper::InitLuaEnvironment() 方法中,就有一个为 Lua 提供 CreateFrame() 函数的例子,使用了闭包来存储帧索引和对象计数:

// CreateFrame() function that will create a frame with an index
lua_pushnumber(m_luaState, 0);                 // frameindex, count of frames for this Lua state object, init to zero
lua_pushnumber(m_luaState, m_MyObjectCount);   // objectindex, which Lua state object am I?

// create the C closure with the above two arguments
lua_pushcclosure (m_luaState, ParserLuaCreateGlobalFrame, 2);
lua_setglobal (m_luaState, "CreateFrame");

要导出的 C++ 函数原型必须符合 static int func(lua_State *L) 的形式。下面这个 concatMultiWideStrings 函数演示了如何从 Lua 虚拟栈读取参数并返回结果。它利用 lua_gettop() 获取参数个数,用 lua_type() 检查类型,跳过非字符串类型的参数。

注意,如果我们在只需要字符串类型的地方传入了其他类型,Lua 会尝试自动转换——但默认转换的结果是单字节 char 字符串,而不是我们期望的双字节宽字符串,所以必须显式处理。

// concatenate multiple wide strings
//  const wchar_t *wcscat(wchar_t *wcharSt1, const wchar_t *wcharSt2, const wchar_t *wcharSt3, ...)
static int concatMultiWideStrings (lua_State *lua)
{
    int  nPushCount = 0;
    int  nArgIndex = 1;
    int argc = lua_gettop(lua);
    wchar_t  tempBuffer[2048];
  
    if (argc > 0) {
        wchar_t    *pWideString = &tempBuffer[0];
        size_t      iLen = 1;
  
        while (nArgIndex <= argc) {
            if (lua_type(lua, nArgIndex) == LUA_TSTRING) {
                const wchar_t *msgX = (wchar_t *) lua_tostring (lua, nArgIndex);
                while (*msgX) {*pWideString++ = *msgX++; iLen++; }
            }
            nArgIndex++;
        }
        *pWideString = 0;  // final zero terminator
        lua_pushlstring (lua, (char *)(&tempBuffer), iLen * sizeof(wchar_t));
        nPushCount++;
    }
  
    return nPushCount;
}

关注点

这个测试工具的第一个版本非常简陋——只是加载一个简单 Lua 脚本,然后输出一行 "Hello World"。但随着对 Lua 嵌入潜力的深入探索,脚本和测试工具变得越来越复杂,很快就发现需要一个能打印 Lua 虚拟栈全貌的函数,才能搞懂引擎和应用之间到底在怎么通信。有好几次,程序突然崩掉,不得不单步调试 C++ 代码,同时借助栈内容输出函数来还原现场,才找到问题并修复。

Lua 的动态特性——跟 Ja vaScript 这类松散类型语言一样——既能写出很精彩的代码,也能带来难以调试的坑。核心难点在于同时使用两种语言,而 Visual Studio 又缺少对 Lua 的原生调试支持。

在实现 LuaSimpleWrapper::TriggerGlobalCall() 时,我们在 Visual Studio 调试器里遇到过测试用例导致 Lua 脚本引擎弹 Windows 错误对话框,甚至要求关闭应用程序。分析下来,是错误发生时某些值被压入 Lua 虚拟栈但未被正确处理。解决方案很简单:一旦发现错误,就用 lua_settop(m_luaState, 0) 清理栈,然后再返回。下面这段代码演示了如何检查全局变量是否存在,如果不存在或不是表,就清栈并返回错误:

lua_getglobal (m_luaState, globalName);
if (lua_type(m_luaState, lua_gettop(m_luaState)) == LUA_TNIL) {
    // if the global variable does not exist then we will bail out with an error.
    strcpy_s (m_lastLuaError, sizeof(m_lastLuaError), "Global variable not found: ");
    strcat_s (m_lastLuaError, sizeof(m_lastLuaError), globalName);
    m_lastState = LuaDescripParse;
    // error so we will just clear the Lua virtual stack and then return
    // if we do not clear the Lua stack, we lea ve garbage that will cause
    // problems with later function calls from the application.
    // we do this rather than use lua_error() because this function is called
    // from the application and not through Lua.
    lua_settop (m_luaState, 0);
    return -1;
}
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