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详解Lua中的元表和元方法

一、元表 元表是Lua中一个挺有意思的机制——它允许我们在一个值遇到未知操作时,给出自定义的行为。本质上,元表也是用table来承载的,所以熟悉了table,也就掌握了元表的基本用法。 不过得注意,元表只能针对一组预先定义好的操作集合做扩展,比面向对象中的类要受限得多。最典型的一点:元表不支持继承。

本文目录

    一、元表

    元表是Lua中一个挺有意思的机制——它允许我们在一个值遇到未知操作时,给出自定义的行为。本质上,元表也是用table来承载的,所以熟悉了table,也就掌握了元表的基本用法。

    不过得注意,元表只能针对一组预先定义好的操作集合做扩展,比面向对象中的类要受限得多。最典型的一点:元表不支持继承。它更像是一套“钩子”,而不是一套“模板”。

    另外,Lua里每一个值都可以拥有元表,但规则有细微差别:

    • 表和用户数据类型各自拥有独立的元表,一个表一个坑;
    • 其他类型(比如数字、字符串、布尔值等)则共用对应类型所属的同一个元表,不能单独给某个具体值设置。

    下面我们就一步步拆开来看,元表到底怎么用。

    二、元表的设置

    1、类型的原始元表

    Lua中,元表的设置权限其实很有限——只有table类型才能通过setmetatable来设置或修改元表,其他类型都不允许。(当然,用户数据也可以,但那是C层面的东西,这里先不展开。)

    table的初始元表是nil,也就是说,默认情况下每个表都没有元表,必须自己显式设置。多个table可以共享同一个元表(甚至可以用自己作为自己的元表,因为它本身也是个table)。

    有意思的是,只有string类型在Lua初始化时就已经挂好了元表,并且所有字符串共享同一个元表。其他类型统统是nil。

    print("表的初始值", getmetatable({}))           --> 表的初始值	nil
    print("整型的初始值", getmetatable(10))         --> 整型的初始值	nil
    print("浮点型的初始值", getmetatable(10.0))      --> 浮点型的初始值	nil
    --- 通过打印可以看到两个字符串的元表是同一个
    print("字符串的初始值", getmetatable("江澎涌"))   --> 字符串的初始值	table: 0x600000b14640
    print("字符串的初始值", getmetatable("jiangpengyong"))  --> 字符串的初始值	table: 0x600000b14640
    print("布尔型的初始值", getmetatable(true))     --> 布尔型的初始值	nil
    print("nil的初始值", getmetatable(nil))         --> nil的初始值	nil
    function sayHello()  end
    print("函数的初始值", getmetatable(sayHello))   --> 函数的初始值	nil

    2、设置元表和获取元表

    2-1、setmetatable(table, metatable)

    用来给table挂上指定的元表。用法很直接:

    • 参数:第一个是要设置的表,第二个是元表;如果第二个参数传nil,那就相当于删除这个表原有的元表。
    • 特殊限制:如果目标元表中包含了__metatable字段,那就不能再设置新的元表了,否则会抛出异常:cannot change a protected metatable。这个__metatable我们在后面“表相关方法”里会详细说。

    返回值:返回被设置元表的那个table(也就是第一个参数本身)。

    2-2、getmetatable(object)

    用来获取某个值的元表。规则如下:

    • 如果对象没有元表,返回nil。
    • 如果对象有元表,并且该元表中存在"__metatable"字段,那么返回的是该字段关联的值(而不是真实的元表)。
    • 否则,直接返回该对象的元表。

    2-3、举个例子

    local oriTable = {}
    local metaTable = {}
    print(setmetatable(oriTable, metaTable), oriTable, metaTable)       --> table: 0x600001ac0840	table: 0x600001ac0840
    print(getmetatable(oriTable), metaTable)                            --> table: 0x600001ac0900	table: 0x600001ac0900

    下面这个例子演示了__metatable的保护效果——给元表加上__metatable字段后,再试图设置新元表就会报错(如下图所示):

    t2 = { c = 1 }
    t2.__metatable = { a = 1 }
    s1 = {}
    setmetatable(s1, t2)
    print('getmetatable(s1)["a"]', getmetatable(s1)["a"])           --> getmetatable(s1)["a"]	1
    -- 此处会抛出异常:cannot change a protected metatable
    print(setmetatable(s1, {}))

    三、元表方法

    1、具有的元方法

    元表方法很像Kotlin中的操作符重载,每种操作对应一个固定的名字字段。我们把它们分为几类来看。

    1-1、算术运算符

    元表方法含义
    __add加法
    __mul乘法
    __sub减法
    __div除法
    __floorfloor除法
    __unm负数
    __mod取模
    __pow幂运算
    __band按位与
    __bor按位或
    __bxor按位异或
    __bnot按位取反
    __shl向左移
    __shr向右移
    __concat定义连接运算符

    1-2、关系运算符

    元表方法含义
    __eq等于
    __lt小于
    __le小于等于

    值得注意:~=、a > b、a >= b 并没有对应的元方法,Lua会自动转换为下面的形式:

    • a ~= b 转为 not( a == b)
    • a > b 转为 b < a
    • a >= b 转为 b <= a

    还有一个很容易踩的坑:关系运算符如果遇到两个不同类型的对象,Lua会直接返回false,根本不会去搜索任何元方法。所以指望用元表实现跨类型比较时要格外小心。

    1-3、库相关方法

    元表方法含义
    __tostring当调用tostring函数时,会先看值有没有__tostring元方法,有则用它来生成字符串。
    __metatable保护元表的字段。一旦设置了这个,getmetatable返回的是该字段的值,setmetatable直接报错。
    __pairs从Lua 5.2开始,如果元表中有__pairs字段,pairs函数会调用这个元方法来完成遍历。

    1-4、表相关方法

    元表方法含义
    __index访问table中不存在的字段时,默认返回nil。但如果元表设置了__index,则会以被访问的表和键作为参数调用这个元方法(或者直接去__index指定的表中查找)。使用table形式比函数形式性能稍好。另外,如果想绕过元表直接取原始数据,可以用rawget。
    __newindex当给table中不存在的键赋值时触发。行为类似__index,可以是一个函数或一个表。同样,可以用rawset(table, key, value)直接赋值,忽略元表。
    __len获取table的长度时调用,比如#table会触发这个元方法。

    __index 和 __newindex 的异同:

    • 相同点:两者都是在table中没有对应的key时触发(读或写)。
    • 不同点:__index负责“读不存在”的场景,__newindex负责“写不存在”的场景。

    2、元方法的搜索

    假设有两个变量做加法运算,Lua会怎么找元方法呢?规则很简单:

    • 先检查第一个值是否有元表,并且该元表中是否存在所需的元方法(比如__add)。如果存在,就用它,第二个值的元方法完全被忽略。
    • 如果第一个值没有,再检查第二个值,有则用。
    • 如果两个都没有,那就抛出异常。

    3、举个例子

    元方法种类比较多,这里就不逐一贴出代码了,否则篇幅会变得很长。建议有兴趣的同学自己动手写一写,亲手运行几遍,印象会深得多。

    关于“算术运算符”、“关系运算符”、“库相关方法”的示例代码,以及“表相关方法”的示例代码,都可以在网上找到对应的实现,这里就不贴具体链接了。

    四、写在最后

    以上就是Lua中元表和元方法的完整梳理。从设置方式到各种元方法的用途,再到搜索规则,希望这篇文章能帮你彻底搞清楚这个机制。实际开发中,元表最常见的用途就是实现面向对象、默认值、只读表等模式,非常灵活。用好它,Lua的代码会更有表现力。

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