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。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

1-2、关系运算符

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

1-4、表相关方法

__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。