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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,本文講解了算術類的元方法、關系類的元方法、庫定義的元方法、table訪問的元方法等內容,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,就調用該字段對應的值。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,只能設置table的元表,若要設置其它類型值的元表,則必須通過C代碼來完成。

    1. 算術類的元方法:

    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)

--輸出結果為:
--{1, 30, 10, 50, 20}
--{30, 10, 50, 20}
 

 在元表中,每種算術操作符都有對應的字段名,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,我們在算術運算符的兩側均使用了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. 關系類的元方法:

    元表還可以指定關系操作符的含義,元方法分別為__eq(等于)、__lt(小于)和__le(小于等于),至于另外3個關系操作符,Lua沒有提供相關的元方法,可以通過前面3個關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

 與算術類的元方法不同,關系類的元方法不能應用于混合的類型。

    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果即可看出,一旦設置了__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:

    算術類和關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,得到的結果為nil。如果我們?yōu)樵搕able定義了元方法__index,那個訪問的結果將由該方法決定。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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