Lua教程（九）：元表與元方法詳解

更新時間：2015年04月29日 12:17:50 投稿：junjie

這篇文章主要介紹了Lua教程（九）：元表與元方法詳解,本文講解了算術(shù)類的元方法、關(guān)系類的元方法、庫定義的元方法、table訪問的元方法等內(nèi)容,需要的朋友可以參考下

Lua中提供的元表是用于幫助Lua數(shù)據(jù)變量完成某些非預定義功能的個性化行為，如兩個table的相加。假設(shè)a和b都是table，通過元表可以定義如何計算表達式a+b。當Lua試圖將兩個table相加時，它會先檢查兩者之一是否有元表，然后檢查該元表中是否存在__add字段，如果有，就調(diào)用該字段對應(yīng)的值。這個值就是所謂的“元方法”，這個函數(shù)用于計算table的和。

Lua中每個值都有一個元表。table和userdata可以有各自獨立的元表，而其它數(shù)據(jù)類型的值則共享其類型所屬的單一元表。缺省情況下，table在創(chuàng)建時沒有元表，如：

復制代碼代碼如下:

    t = {}

    print(getmetatable(t))  --輸出為nil

這里我們可以使用setmetatable函數(shù)來設(shè)置或修改任何table的元表。

復制代碼代碼如下:

    t1 = {}

    setmetatable(t,t1)

    assert(getmetatable(t) == t1)

任何table都可以作為任何值的元表，而一組相關(guān)的table也可以共享一個通用的元表，此元表將描述了它們共同的行為。一個table甚至可以作為它自己的元表，用于描述其特有的行為。在Lua代碼中，只能設(shè)置table的元表，若要設(shè)置其它類型值的元表，則必須通過C代碼來完成。

1. 算術(shù)類的元方法：

在下面的示例代碼中，將用table來表示集合，并且有一些函數(shù)用來計算集合的并集和交集等。

復制代碼代碼如下:

Set = {}
local metatable = {} --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 = {}
    --將所有由該方法創(chuàng)建的集合的元表都指定到metatable
    setmetatable(set,metatable)
    for _, v in ipairs(l) do
        set[v] = true
    end
    return set
end

--取兩個集合并集的函數(shù)
function Set.union(a,b)
    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

--取兩個集合交集的函數(shù)
function Set.intersection(a,b)
    local res = Set.new{}
    for k in pairs(a) do
        res[k] = b[k]
    end
    return res
end

function Set.tostring(set)
    local l = {}
    for e in pairs(set) do
        l[#l + 1] = e
    end
    return "{" .. table.concat(l,", ") .. "}";
end

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

--最后將元方法加入到元表中，這樣當兩個由Set.new方法創(chuàng)建出來的集合進行
--加運算時，將被重定向到Set.union方法，乘法運算將被重定向到Set.intersection
metatable.__add = Set.union
metatable.__mul = Set.intersection

--下面為測試代碼
s1 = Set.new{10,20,30,50}
s2 = Set.new{30,1}
s3 = s1 + s2
Set.print(s3)
Set.print(s3 * s1)

--輸出結(jié)果為：
--{1, 30, 10, 50, 20}
--{30, 10, 50, 20}

在元表中，每種算術(shù)操作符都有對應(yīng)的字段名，除了上述的__add(加法)和__mul(乘法)外，還有__sub(減法)、__div(除法)、__unm(相反數(shù))、__mod(取模)和__pow(乘冪)。此外，還可以定義__concat字段，用于描述連接操作符的行為。

對于上面的示例代碼，我們在算術(shù)運算符的兩側(cè)均使用了table類型的操作數(shù)。那么如果為s1 = s1 + 8，Lua是否還能正常工作呢？答案是肯定的，因為Lua定位元表的步驟為，如果第一個值有元表，且存在__add字段，那么Lua將以這個字段為元方法，否則會再去查看第二個值否是有元表且包含__add字段，如果有則以此字段為元方法。最后，如果兩個值均不存在元方法，Lua就引發(fā)一個錯誤。然而對于上例中的Set.union函數(shù)，如果執(zhí)行s1 = s1 + 8將會引發(fā)一個錯誤，因為8不是table對象，不能基于它執(zhí)行pairs方法調(diào)用。為了得到更準確的錯誤信息，我們需要給Set.union函數(shù)做如下的修改，如：

復制代碼代碼如下:

function Set.union(a,b)

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

        error("attempt to 'add' a set with a non-set value")

    end

    --后面的代碼與上例相同。

    ... ...

end

2. 關(guān)系類的元方法：

元表還可以指定關(guān)系操作符的含義，元方法分別為__eq(等于)、__lt(小于)和__le(小于等于)，至于另外3個關(guān)系操作符，Lua沒有提供相關(guān)的元方法，可以通過前面3個關(guān)系運算符的取反獲得。見如下示例：

復制代碼代碼如下:

Set = {}
local metatable = {}

function Set.new(l)
    local set = {}
    setmetatable(set,metatable)
    for _, v in ipairs(l) do
        set[v] = true
    end
    return set
end

metatable.__le = function(a,b)
    for k in pairs(a) do
        if not b[k] then return false end
    end
    return true
end
metatable.__lt = function(a,b) return a <= b and not (b <= a) end
metatable.__eq = function(a,b) return a <= b and b <= a end

--下面是測試代碼：
s1 = Set.new{2,4}
s2 = Set.new{4,10,2}
print(s1 <= s2) --true
print(s1 < s2) --true
print(s1 >= s1) --true
print(s1 > s1) --false

與算術(shù)類的元方法不同，關(guān)系類的元方法不能應(yīng)用于混合的類型。

3. 庫定義的元方法：

除了上述基于操作符的元方法外，Lua還提供了一些針對框架的元方法，如print函數(shù)總是調(diào)用tostring來格式化其輸出。如果當前對象存在__tostring元方法時，tostring將用該元方法的返回值作為自己的返回值，如：

復制代碼代碼如下:

Set = {}
local metatable = {}

function Set.new(l)
    local set = {}
    setmetatable(set,metatable)
    for _, v in ipairs(l) do
        set[v] = true
    end
    return set
end

function Set.tostring(set)
    local l = {}
    for e in pairs(set) do
        l[#l + 1] = e
    end
    return "{" .. table.concat(l,", ") .. "}";
end

metatable.__tostring = Set.tostring

--下面是測試代碼：
s1 = Set.new{4,5,10}
print(s1) --{5,10,4}

函數(shù)setmetatable和getmetatable也會用到元表中的一個字段(__metatable)，用于保護元表，如：

復制代碼代碼如下:

 mt.__metatable = "not your business"

 s1 = Set.new{}

 print(getmetatable(s1))   --此時將打印"not your business"

 setmetatable(s1,{})  --此時將輸出錯誤信息："cannot change protected metatable"

從上述代碼的輸出結(jié)果即可看出，一旦設(shè)置了__metatable字段，getmetatable就會返回這個字段的值，而setmetatable將引發(fā)一個錯誤。

4. table訪問的元方法：

    算術(shù)類和關(guān)系類運算符的元方法都為各種錯誤情況定義了行為，它們不會改變語言的常規(guī)行為。但是Lua還提供了一種可以改變table行為的方法。有兩種可以改變的table行為：查詢table及修改table中不存在的字段。

    1). __index元方法：

當訪問table中不存在的字段時，得到的結(jié)果為nil。如果我們?yōu)樵搕able定義了元方法__index，那個訪問的結(jié)果將由該方法決定。見如下示例代碼：

復制代碼代碼如下:

Window = {}
Window.prototype = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
Window.mt = {} --Window的元表

function Window.new(o)
setmetatable(o,Window.mt)
return o
end

--將Window的元方法__index指向一個匿名函數(shù)
--匿名函數(shù)的參數(shù)table和key取自于table.key。
Window.mt.__index = function(table,key) return Window.prototype[key] end

--下面是測試代碼：
w = Window.new{x = 10, y = 20}
print(w.width) --輸出100
print(w.width1) --由于Window.prototype變量中也不存在該字段，因此返回nil。

最后，Lua為__index元方法提供了一種更為簡潔的表示方式，如：Window.mt.__index = Window.prototype。該方法等價于上例中的匿名函數(shù)表示方法。相比而言，這種簡潔的方法執(zhí)行效率更高，但是函數(shù)的方法擴展性更強。
如果想在訪問table時禁用__index元方法，可以通過函數(shù)rawget(table,key)完成。通過該方法并不會加速table的訪問效率。

2). __newindex元方法：
和__index不同的是，該元方法用于不存在鍵的賦值，而前者則用于訪問。當對一個table中不存在的索引賦值時，解釋器就會查找__newindex元方法。如果有就調(diào)用它，而不是直接賦值。如果這個元方法指向一個table，Lua將對此table賦值，而不是對原有的table賦值。此外，和__index一樣，Lua也同樣提供了避開元方法而直接操作當前table的函數(shù)rawset(table,key,value)，其功能類似于rawget(table,key)。

3). 具有默認值的table：
缺省情況下，table的字段默認值為nil。但是我們可以通過元表修改這個默認值，如：

復制代碼代碼如下:

 function setDefault(table,default)

    local mt = {__index = function() return default end }

    setmetatable(table,mt)

end

tab = {x = 10, y = 20}

print(tab.x,tab.z)  --10    nil

setDefault(tab,0)

print(tab.x,tab.z)  --10    0

4). 跟蹤table的訪問：
__index和__newindex都是在table中沒有所需訪問的index時才發(fā)揮作用的。因此，為了監(jiān)控某個table的訪問狀況，我們可以為其提供一個空table作為代理，之后再將__index和__newindex元方法重定向到原來的table上，見如下代碼：

復制代碼代碼如下:

t = {}        --原來的table
local _t = t --保持對原有table的私有訪問。
t = {}        --創(chuàng)建代理
--創(chuàng)建元表
local mt = {
    __index = function(table,key)
        print("access to element " .. tostring(key))
        return _t[key] --通過訪問原來的表返回字段值
    end,

    __newindex = function(table,key,value)
        print("update of element " .. tostring(key) .. " to " .. tostring(value))
        _t[key] = value --更新原來的table
    end
}
setmetatable(t,mt)

t[2] = "hello"
print(t[2])

--輸出結(jié)果為
--update of element 2 to hello
--access to element 2
--hello

5). 只讀的table：
通過代理的概念，可以很容易的實現(xiàn)只讀table。只需跟蹤所有對table的更新操作，并引發(fā)一個錯誤即可，見如下示例代碼：

復制代碼代碼如下:

function readOnly(t)
    local proxy = {}
    local mt = {
        __index = t,
        __newindex = function(t,k,v)
            error("attempt to update a read-only table")
        end
    }
    setmetatable(proxy,mt)
    return proxy
end

days = readOnly{"Sunday","Monday","Tuesday","Wednesday","Thursday","Friday","Saturday"}
print(days[1])
days[2] = "Noday"

--輸出結(jié)果為：
--[[
Sunday
lua: d:/test.lua:6: attempt to update a read-only table
stack traceback:
        [C]: in function 'error'
        d:/test.lua:6: in function <d:/test.lua:5>
        d:/test.lua:15: in main chunk
        [C]: ?
]]--

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