Lua学习笔记:实现一个Lua Class生成器

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晨星成焰

发布于 2024-09-12 10:05:26

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前文须知

Lua 中的每个值都可以有一个元表。这个元表就是一个普通的 Lua 表，它用于定义原始值在特定操作下的行为。如果你想改变一个值在特定操作下的行为，你可以在它的元表中设置对应域。例如，当你对非数字值做加操作时， Lua 会检查该值的元表中的 "__add" 域下的函数。如果能找到，Lua 则调用这个函数来完成加这个操作。

表的简单使用可参考：Lua学习笔记:Lua里table表的使用例及介绍

元表的简单使用可参考：Lua学习笔记:Lua里metatable元表的使用

而熟悉Lua表和元表的都知道，通过元表的 __index 字段可以让表 t 获得一些本身没有的字段, 通过这样的一个形式，我们就可以达到从实例中调用类的方法，这样我们就可以把Lua的元表比作C++中的纯虚类，通过把Lua的元表当做一个普通表的方法类，去实现Lua Class.😈

1.从Lua的层面去进行Lua Class实现

#include <iostream>
#include <lua.hpp>

int main()
{
	// 创建一个虚拟机
	lua_State* L = luaL_newstate();

	// 加载一些常用的系统库
	luaL_openlibs(L);

	// 加载lua文件并执行
	if (luaL_dofile(L, "LuaClass.lua"))
	{
		// 在lua中 -1表示栈顶 如果出错 出错结果会放置在栈顶中
		printf("%s\n", lua_tostring(L, -1));
	}

	// 关闭虚拟机
	lua_close(L);
	return 0;

}

1.类的创造和实例化使用

面向对象三大特性包括：封装、继承、多态。

通过元表的 __index 字段可以让表 t 获得一些本身没有的字段, 通过这样的一个形式，我们就可以达到从实例中调用类的方法，但是实例的成员变量又是相互独立的。另外，__index 也可以是方法。

-- LuaClassP.lua

-- 定义一个Lua Class生成器
local Class = function(className)
    local class = {_className = className}

    class.ctor = false -- 构造函数声明
    
    -- ... 是可变参数
    class.new = function(...)
        local tab = {}
        setmetatable(tab, {__index = class})

        tab:ctor(...)
        return tab
    end
    return class
end

-- 定义一个类 可以看做C++中的类继承纯虚类
local C1 = Class("C1")

-- 构造函数ctor具体实现
function C1:ctor(x, y, z)
    -- 记录成员数据
    self.x = x
    self.y = y
    self.z = z

end


-- 定义一个方法 可以看做C1类自己的方法
function C1:Print() 
    -- 遍历成员变量
    local values = {}
    for k, v in pairs(self) do
        if type(v) ~= 'function' then
            table.insert(values, tostring(v))
        end
    end
    print(table.concat(values, ' '))
end

-- new一个C1对象实例 可以看做C++中的new
local c1 = C1.new(1, 2, 3)
c1:Print() -- 输出 1  2  3

print(c1._className) -- 输出C1

2.类的继承和多态

类的继承通过自定义一个super参数配合元表的__index实现

如果提供了 super 参数，则设置类的元表为父类，以便在当前类中找不到方法或属性时可以去__index域查找父类。

-- LuaClassP.lua

-- 定义一个类生成器函数
local Class = function(className, super)
    local class = {_className = className, super = super}

    if super then
        -- 设置类的元表，此类中没有的，可以查找父类是否含有
        setmetatable(class, {__index = super})
    end

    class.ctor = false -- 构造函数声明
    
    -- ... 是可变参数
    class.new = function(...)
        local tab = {}
        setmetatable(tab, {__index = class})
        class:ctor(...)
        return tab
    end
    return class
end


-- 定义一个类 可以看做C++中的类继承抽象类接口
local BaseClass  = Class("BaseClass")

-- 基类的构造函数
function BaseClass:ctor(x, y)
    self.x = x
    self.y = y
end


-- 基类的方法
function BaseClass:PrintBase()
    print("BaseClass: x =", self.x, "y =", self.y)
end

-- 创建一个 BaseClass 对象实例
local baseObj = BaseClass.new(1, 2)
baseObj:PrintBase() -- 输出 BaseClass: x = 1 y = 2

-- 打印类名
print(baseObj._className) -- 输出 BaseClass


-- 定义一个派生类 
local DerivedClass = Class("DerivedClass", BaseClass)

-- 派生类的构造函数
function DerivedClass:ctor(x, y, z)
    -- 调用基类的构造函数
    self.super:ctor(x, y)
    self.z = z
end

-- 派生类重载基类方法
function DerivedClass:PrintBase()
    print("DerivedClass: x =", self.x, "y =", self.y, "z =", self.z)
end

-- 派生类的方法
function DerivedClass:PrintDerived()
    print("DerivedClass: z =", self.z)
end

-- 创建一个 DerivedClass 对象实例
local derivedObj = DerivedClass.new(1, 2, 3)
derivedObj:PrintBase() -- 输出 DerivedClass: x = 1 y = 2 z = 3
derivedObj:PrintDerived() -- 输出 DerivedClass: z = 3

print(derivedObj._className) -- 输出 DerivedClass

2.从C/C++的交互层面进行Lua Class实现

从C/C++层面去实现也是要借助元表的形式，如果使用了依附于 Lua 绑定库（如 sol2、tolua++、luabind 等），这些库提供了 C++ 代码与 Lua 脚本交互的能力，实现起来会更加方便简洁。

以下提供一个无库函数使用的简单Lua Class实现使用例。

Tips:一般最好自己实现一个__gc字符段对应的析构函数，这样方便释放在C/C++创造的一些内存使用，毕竟Lua只会释放自己的内存使用，C/C++层面的内存使用需要自己释放。

Lua垃圾自动回收机制文章可参考:

Lua GC 的工作原理-云风

#include <stdio.h>
#include <lua.hpp>
#define LUA_TEST "LUA_TEST"

//元表成员变量声明
struct tagTest
{
	int a;
};

//成员方法类比于析构函数，lua是垃圾自动回收机制，当对象不再使用时会自动删除
static int f_gc(lua_State* L)
{
	struct tagTest* p = (struct tagTest*)luaL_checkudata(L, 1, LUA_TEST);// 测试是否属于该元表 失败返回NULL
	printf("调用gc销毁了对象");
	return 0;
}

static int f_tostring(lua_State* L)
{
	struct tagTest* p = (struct tagTest*)luaL_checkudata(L, 1, LUA_TEST);// 测试是否属于该元表 失败返回NULL
	lua_pushstring(L, "f_tostring LUA_TEST");
	return 1;// 返回值表示压入的几个参数
}

static int f_GetA(lua_State* L)
{
	struct tagTest* p = (struct tagTest*)luaL_checkudata(L, 1, LUA_TEST);// 测试是否属于该元表 失败返回NULL
	lua_pushinteger(L, p->a);
	return 1;// 返回值表示压入的几个参数
}

static int f_SetA(lua_State* L)
{
	printf("%d\n", lua_gettop(L));
	struct tagTest* p = (struct tagTest*)luaL_checkudata(L, 1, LUA_TEST);// 测试是否属于该元表 失败返回NULL
	int a = luaL_checkinteger(L, 2);
	p->a = a;
	return 0;// 返回值表示压入的几个参数
}

/*
** 元表处理方法
*/
static const luaL_Reg flib[] = {
	{"SetA",f_SetA},
	{"GetA",f_GetA},
	{"__gc", f_gc},//删除时调用
	{"__tostring", f_tostring},
	{NULL, NULL}
};


static void createmeta(lua_State* L) {

	luaL_newmetatable(L, LUA_TEST);  /* 创建一个元表*/

	lua_pushvalue(L, -1);  /* 复制指定位置的元素至栈顶 */
	lua_setfield(L, -2, "__index");  /* metatable.__index = metatable 会弹出栈顶元素 */

	luaL_setfuncs(L, flib, 0);  /* 将方法添加进入元表 */

	lua_pop(L, 1);  /* 弹出newmetabhle的元表 */
}

static int createTest(lua_State* L)
{
	//创建一个用户数据 lua内部会自动释放
	struct tagTest* p = (struct tagTest*)lua_newuserdata(L, sizeof(struct tagTest));
	luaL_setmetatable(L, LUA_TEST);// 和元表进行关联
	return 1;
}

int LuaTest8()
{
	// 创建一个虚拟机
	lua_State* L = luaL_newstate();

	// 加载一些常用的系统库
	luaL_openlibs(L);

	// 创建一个元表
	createmeta(L);

	lua_pushcfunction(L, createTest);
	lua_setglobal(L, "createTest");


	// 加载lua文件并执行
	if (luaL_dofile(L, "Test8.lua"))
	{
		// 在lua中 -1表示栈顶 如果出错 出错结果会放置在栈顶中
		printf("%s\n", lua_tostring(L, -1));
	}

	// 关闭虚拟机
	lua_close(L);
	return 0;
}

-- Test8.lua
local test = createTest()

test:SetA(10)
print(test:GetA())
print(test)

附加

禁止Lua创造全局变量

-- 通过设置全局表的元表 禁止创造全局变量
setmetatable(_G, {
    __newindex = function(t, key, value)
        print("Cannot create global variable '" .. key .. "'")
    end
})

最近在试着找工作/(ㄒoㄒ)/~~，本篇文章纰漏难以细究，若有差错，还望指出，笔者感激不尽。