Lua_isms

Posted 2021-04-03 程序员不是码农

《Programming in Lua》的第三部分，主要介绍Lua中的迭代器，for循环，元表和元方法，面向对象编程，环境，垃圾回收，协程以及反射，这部分内容有点多，并且大多以代码进行讲解，这些知识点也Lua编程中非常重要的。

1

Iterators and the Generic for（迭代器与for）

Iterators and Closures（迭代器和闭包）

迭代器是一个允许我们遍历集合中所有元素的结构体，Lua中通常使用函数来表示迭代器，每次调用返回集合中的下一个元素，比如之前用到的io.read，每次调用都返回标准输入文件的下一行，如果没有数据可读了就返回nil。

任何迭代器都需要记住连续两次调用之间的状态，闭包提供了很好的机制来记录这些状态，实现这样一个机制需要两个函数：一个是闭包，另一个是工厂函数（用来创建闭包及其非静态变量）。以下为列表实现一个简单的迭代器：

接下来提供两种使用上述迭代器的方法：

迭代器的实现可能会很复杂，但是对于使用者来说是很简单的，而大多数情况，我们不需要自己去实现一个迭代器，而只是去使用。

The Semanitics of the Generic for

上述迭代器（while循环）有一个缺点：每次开启一个新的循环都需要创建一个新的闭包。

而for循环可自己保存迭代的状态来避免这种开销。其通常会保存三个值：迭代器函数，不变状态和一个控制变量。for的用法如下

ipairs

ipairs使用和实现如下：

当调用for循环时，其会获得3个值：迭代器函数iter，不变状态table t, 以及控制变量初始值0，接着Lua调用iter(t, 0), 其结果为1, t[1], 第二次迭代时，Lua调用iter(t, 1)，其结果为2, t[2]，直到遍历完所有元素。

pairs

pairs同ipairs类似，也是遍历table的所有元素，但是其用的迭代器是Lua原生的函数next，如下：

Traversing Tables in Order（有序遍历Table）

考虑下面这个table，按照字母顺序打印。

若使用pairs进行遍历，得到的结果是无序的，因为其使用next。因此需要用数组将table的key保存，对该table排序后再打印，如下：

Exercise

2

Metatables and Metamethods（元表和元方法）

当遇到未知操作时，元表允许我们改变值的行为，比如，让两个table相加a + b，会检查其中是否有元表，及其元表是否有__add字段，有的话，就会调用相应的元方法。

table默认是没有元表的，可以通过setmetatable来设置一个table的元表，如下：

字符串库给字符串默认设置了元表，其他类型的值是没有元表的

Arithmetic Metamethods（算数元方法）

用table来表示集合，并实现并集、交集等方法，如下：

接下来用元表来实现通过+号来求得其并集，在创建set的时候，需要设置其元表：

Relation Metamethods（关系元方法）

元表允许我们通过元方法（__eq, __lt, __le）赋予关系操作符意义。接下来通过元方法判断两个集合的关系：

The __index metamethod

之前提到，当我们访问table中不存在的字段时，其结果会是nil，但不全对，实际上，解释器会去寻找元表中是否有__index元方法，如果没有当然返回nil，如果有的话，相应的元方法会提供结果。

接下来以窗口为例来说明__index的使用：

The __newindex metamethod

当把一个值赋给table中不存在的key时，解释器会寻找__newindex对应的元方法，把赋值操作转换为调用__newindex对应的元方法。

Lua中提供了 rawget 和 rawset 两种方法，来 禁止触发 __index和__newindex的调用。

用元表来实现带有默认值的table，如下：

上述这种设置默认值的方法中，如果d中没有对应字段，会继续触发d的元表，效率很低，可以把默认值直接保存在表的字段中，如下：

使用元表来实现跟踪table的访问：

使用元表实现只读table：

3

Object-Oriented Programming（面向对象编程）

Class（类）

Lua中没有类的概念，但可以通过元表来模拟出类的实现。可通过__index元方法和继承的概念来实现原型，以下为一个Account类：

上述做法可以改进，其实不必要创建mt，直接将self设置为其元表即可，如下：

Inheritance（继承）

因为类是对象，它能从其他类中获得方法，这种行为使得在Lua中实现继承变得非常简单。假设有一个基类Account如下：

创建一个Account的实例SpecialAccount：SpecialAccount = Account:new(), 接下来调用SpecialAccount的实例s：s = SpecialAccount:new{limit=1000.00},。

这三者关系可以理解为：s继承SpecialAccount，SpecialAccount继承Account, 如果调用s的某个方法，如果s中找不到就会去SpecialAccount中搜索，SpecialAccount中找不到就去Account中找。也可重定义Account中的方法：

Multiple Inheritance（多重继承）

一个多重继承的实现如下：

接下来介绍如何使用多重继承，先定义一个类Name如下

创建一个新的类NameAccount，继承Account和Named如下：

Exercise

4

The Environment（环境）

Lua把自己的全局环境存储在全局变量_G中，并且_G._G==_G

getfield和setfield实现方式如下：

Global_Variable Declarations

使用元表来检查访问的变量是否存在或被申明，如下：

Non-Global Environments and _ENV

Lua中全局变量没有必要真的是全局的，其实Lua压根就没有全局变量。把没有申明为local的变量定义为free变量，Lua把代码块中所有free变量放在_ENV表中，如下：

_ENV并不是一个全局变量，Lua中所有的代码块都可视为匿名函数，而这个_ENV就是这个匿名函数的上值(up-value)，当我们load一个Lua代码块(chunk)时，会使用全局环境来初始化_ENV表，如下：

对Lua中全局变量的处理总结如下：

1. 编译时会在代码块匿名函数外创建一个局部变量_ENV

2. 编译器会把所有的free变量放入_ENV中

3. 函数load or loadfile用全局环境来初始化代码块的第一个上值(up-value)

Lua交互模式下，每一行都有一个不同的_ENV，可以使用do .. end来运行一个代码块（沙盒环境），可以通过让_ENV = nil来使得代码块中之后对全局变量的访问都失效，如下：

_G和_ENV虽然指向相同的table，但是他们是不同的实体，_ENV是一个局部变量，代表的是当前的环境，代码块中所有对“全局”变量的访问都是访问_ENV。_G代表的是全局的环境。可以随时改变_ENV，如下：

Environments and Modules

避免污染全局变量的模块实现：

Exercise

5

Garbage（垃圾回收）

Lua中主要的垃圾回收机制：weak table, finalizers, 和函数collectgarbage。

Weak Tables（弱表）

垃圾回收器无法判断那些我们认为的垃圾，比如stack，通过一个数组和一个top索引值来实现，当pop元素时，只减少top的索引值，则栈顶元素还在数组中，垃圾回收器不会认为这是垃圾，而在我们看来它就是垃圾。因此，需要我们将其置为nil，才能被回收。

Weak tables其实就是告诉Lua这个引用的回收不受保护。因此如果所有对这个对象的引用都是弱引用，垃圾回收器会回收这个对象并删掉所有的弱引用。Lua通过weak table来实现弱引用。

有三种类型的弱表: 弱键(weak key), 弱值(weak value), 弱键和弱值(both keys and values are weak)，通过元表的__mode字段来设置弱表的类型，三种情况分别对应k, v, kv。

不管什么类型，当key或者value被回收后，其对应的entry都会从table中删掉。

meorization机制：load是一个很耗的操作，因此可以把其结果记录下来，每次load前会先判断是否在记录中，如果在，则直接使用，不需要再load，如果不在，则调用load并把结果记录。

但是这种机制有一个缺点，一旦记录下load的结果，就会一直占用内存，哪怕之后不再用到，久而久之，必然耗尽内存。因此可以有弱表来优化这种机制，对于一些不再用的，直接交给垃圾回收机制处理，一个color的例子如下：

Finalizers

finalizer是一个跟对象相关的函数，当对象将要被回收时被调用。Lua通过元方法__gc来实现finalizers，如下：

注意__gc添加必须在setmetatable之前，如下：

The Garbage Collector

标记清除分为四步：mark, cleaning, sweep, finalization.

mark: 从根节点开始，标记Lua能够访问到的节点为alive。

cleaning: 处理finalizers和弱表，遍历所有finalization的对象中没有被标记为alive的对象，放入另一个列表中，用于finalization阶段。然后遍历弱表，将其中key或者value没有被标记为alive的entry从table中移除。

sweep: 遍历所有的Lua对象，回收没有被标记为alive的对象

finalization: 针对cleaning阶段放入列中的对象，调用其__gc元方法。

Lua 5.0在gc时需要暂停主程序，Lua5.1推出了一种增量gc的方法，不需要停止正在运行的程序，一步一步来来gc。

6

Coroutines（协程）

协程跟线程类似，它是一条执行的流程，有自己的栈、局部变量，指令指针，并且和其它线程共享全局变量。协程和线程的主要区别在于多线程程序是可以并行运行的，而协程同时只能有一个在运行，其它的挂起，因此协程之间是协作关系（collaborative）。

Coroutine Basics

Lua把所有协程相关的函数放在coroutines表中，create创建新协程，传入协程执行的方法，返回一个线程来代表新的协程，如下：

协程有四种状态：挂起(suspended)，运行(running)，正常(normal)，死亡(dead)，可以使用coroutine.status来查看但协程的状态。协程创建的初始状态为挂起，通过coroutine.resume来启动协程，将其状态改为运行状态。正在运行的协程可以通过coroutine.yield来交出执行权，并切换至挂起状态，等待下一次resume。

通常可以通过resume-yield对来交换数据，如下：

协程一个典型的例子就是生产者-消费者问题，如下：

Event-Driven Programming

Exercise

7

Reflection（反射）

反射机制：程序具有检查和修改其执行流程的能力。动态语言天然支持一些反射特性：环境允许在运行时inspect全局变量，type和pairs函数允许在运行时inspect和遍历不了解的数据结构等。但是仍然有些没法做到：程序不能inspect其局部变量，不能跟踪函数的执行，函数没法知道它的调用者等等，这些在debug库得以实现。

debug库由两种类型函数组成：introspective functionsh和hooks，前者允许我们可以检查正在运行程序的一些状态：函数栈，当前执行哪一行，局部变量的值等等。后者允许我们跟踪一个程序的执行流程。

主要的introspective function为getinfo，其第一个参数可为一个函数或者stack level, 返回这个函数的一些数据。

通过debug.getlocal访问局部变量:，第一个参数为stack level, 第二个参数为变量索引，返回改变量的当前名称和值。

以上通过大量实例，介绍了Lua中的迭代器，for循环，元表和元方法，面向对象编程，环境，垃圾回收，协程以及反射。

参考：

http://www.lua.org/pil/

http://www.lua.org/manual/5.3/manual.html#lua_call

END