一文读懂Lua元表

Posted 2021-09-09 sky鱼

元表

Lua语言中的每种类型的值都有一套可预见的操作集合。例如，我们可以将数字相加，可以连接字符串，还可以在表中插入键值对等，但是我们无法将两个表相加，无法对函数作比较，也无法调用一个字符串，除非使用元表。

元表可以修改一个值在面对一个未知操作时的行为。例如，假设a和b都是表，那么可以通过元表定义Lua语言如何计算表达式a+b。当Lua语言试图将两个表相加时，它会先检查两者之一是否有元表（metatable）且该元表中是否有__add字段。如果Lua语言找到了该字段，就调用该字段对应的值，即所谓的元方法（metamethod）（是一个函数）。

Lua语言中的每一个值都可以有元表。每一个表和用户数据类型都具有各自独立的元表，而其他类型的值则共享对应类型所属的同一个元表。

获取元表

获取元表使用getmetatable()方法

t = {}
print(getmetatable(t))      --> nil

设置元表

可以使用函数setmetatable来设置或修改任意表的元表

t1 = {}
setmetatable(t,t1)
print(getmetatable(t) == t1)        --> true

我们只能为表设置元表；如果要为其他类型的值设置元表，则必须通过C代码或调试库完成。字符串标准库为所有的字符串都设罝了同一个元表，而其他类型在默认情况中都没有元表：

print(getmetatable("hello world"))   --> table: 0000022E8BA91B40
print(getmetatable(123))            --> nil
print(getmetatable(print))          --> nil

为两个表添加算术运算功能

下面展示怎么为两个表添加 “+” 功能

-- 定义两个表 t 和 t1
t = {}
t1 = {}
​
-- 向表中添加变量并赋值
t.a = 123
t1.a = 4
​
-- 向两个表添加函数
t.func = function ()
    return 1
end
​
t1.func = function ()
    return 2
end
​
-- 定义元表
mt = {}
​
-- 分别为两个表设置元表
setmetatable(t,mt)
setmetatable(t1,mt)
​
--为元表定于__add函数
--a b 分别代表执行加法的表，这里指代t和t1
mt.__add = function (a,b)
    print(a.func() + b.func())   -->  3
    return a.a + b.a
end
​
print(t + t1)       -->  127

Lua语言会按照如下步骤来查找元方法：

• 如果第一个值有元表且元表中存在所需的元方法，那么Lua语言就使用这个元方法，与第二个值无关

• 如果第二个值有元表且元表中存在所需的元方法，Lua语言就使用这个元方法

• 否则，Lua语言就抛出异常。

因此 在执行最后一行 t + t1的时候，会检查元表中是否存在 t1 中是否存在 __add 方法，如果存在，则调用该元方法，否则查找 t2，如果还是不存在，将会抛出异常。因此上面的代码中，这行代码 setmetatable(t1,mt) 可以删除，因为始终会执行 t 中的方法。例如我们修改上面代码

-- 定义第二个元表
mt1 = {}
​
-- 注释t的元表，为t1添加新定义的元表
--setmetatable(t,mt)
setmetatable(t1,mt1)
​
mt1.__add = function()
    print("this is mt1 add")
end
​
print(t + t1)  -->    调用mt1.__add方法，执行方法中的print语句
              -->    打印nil，因为mt1.__addm

除了 __add 外，还有下面这些键值定义：

键	描述
__add	改变加法操作符的行为。
__sub	改变减法操作符的行为。
__mul	改变乘法操作符的行为。
__div	改变除法操作符的行为。
__mod	改变模除操作符的行为。
__unm	改变一元减操作符的行为。
__concat	改变连接操作符的行为。
__eq	改变等于操作符的行为。
__lt	改变小于操作符的行为。
__le	改变小于等于操作符的行为。

 

表相关的元方法

__index元方法

当我们访问表中一个不存在的字段时，得到的结果会是nil，这是正确的，但不是完整的真相。实际上，这些访问会引发解释器查找一个名为 __index 的元方法。如果没有这个元方法，那么像一般情况下一样，结果就是nil；否则，则由这个元方法来提供最终结果。

mt = {x = 5}    --定义一个元表，里面拥有一个字段x
​
w = {}
​
w = setmetatable(w,mt)      --将mt设置为w的元表
​
mt.__index = mt             --设置元表的__index值
​
print(w.x)          -- 5
print(w.y)          -- nil
​
--将mt的__index元方法设置为函数
mt.__index  = function(_,key)
    return mt[key]
end
​
print(w.x) --w中没有x字段，所以调用函数 __index,传入的参数为function(w,x),所以得到的值为mt["x"] = 5
          --也就是以表和键为参数调用该函数，并返回该函数的返回值
​

Lua 查找一个表元素时的规则，其实就是如下 3 个步骤:

• 在表中查找，如果找到，返回该元素，找不到则继续

• 判断该表是否有元表，如果没有元表，返回 nil，有元表则继续。

• 判断元表有没有 index 方法，如果 index 方法为 nil，则返回 nil；如果 index 方法是一个表，则重复 1、2、3；如果 index 方法是一个函数，Lua会以表和键为参数调用该函数，并返回该函数的返回值。

如果我们希望在访问一个表时不调用__index元方法，那么可以使用函数rawget，它在不考虑元表的情况下对表进行简单的访问，定义为：

rawget (table, index)

在不触发任何元方法的情况下 获取 table[index] 的值。 table 必须是一张表； index 可以是任何值。

接着上面的代码，添加一些内容

print(rawget(w,"x"))    -- 忽略元表中的值，x在w表中不存在，所以输出为 nil
w.x = "hhh"
print(rawget(w,"x"))    -- 输出 hhh

 

__newindex元方法

元方法__newindex与__index类似，不同之处在于前者用于表的更新而后者用于表的查询。当对一个表中不存在的索引赋值时，解释器就会查找__newindex元方法：如果这个元方法存在，那么解释器就调用它而不执行赋值。

mt = {x = 5,y = 6}
​
w = {}
​
w = setmetatable(w,mt)
mt.__newindex = mt
​
print(mt.y)             -- 6
w.y = 123               -- __newindex中包含y字段，所以为mt.y赋值，而不进行自身赋值
print(w.y)              --nil
print(mt.y)             --123

如果我们想跳过原函数为它赋值，可以使用rawset方法

rawset (table, index, value)

在不触发任何元方法的情况下 将 table[index] 设为 value。 table 必须是一张表， index 可以是 nil 与 NaN 之外的任何值。 value 可以是任何 Lua 值。

在上面的基础上添加下面代码

rawset(w,"y",456)
print(w.y)      -- 456
print(mt.y)     -- 123