『游戏开发』在Lua中实现面向对象特征--模拟类继承多态

Posted 2021-04-10 烤地瓜的迷妹儿

一、简介

　　Lua是一门非常强大、非常灵活的脚本语言，自它从发明以来，无数的游戏使用了Lua作为开发语言。但是作为一款脚本语言，Lua也有着自己的不足，那就是它本身并没有提供面向对象的特性，而游戏开发是一项庞大复杂的工程，如果没有面向对象功能势必会为开发带来一定的不便。不过幸好Lua中有table这样强大的数据结构，利用它再结合元表(metatable)，我们便可以很方便地在Lua中模拟出类、继承和多态等面向对象编程具有的特性。

二、前提知识

　　按照惯例，我们还是先来熟悉一下必要的前提知识，以便方便我们理解后续的代码。

1.表(table)

　　(1)table 是 Lua 的一种数据结构，用于帮助我们创建不同的数据类型，如：数组、字典等；

　　(2)table 是一个关联型数组，你可以用任意类型的值来作数组的索引，但这个值不能是 nil，所有索引值都需要用 "["和"]" 括起来；如果是字符串，还可以去掉引号和中括号； 即如果没有[]括起，则认为是字符串索引，Lua table 是不固定大小的，你可以根据自己需要进行扩容；

　　(3)table 的默认初始索引一般以 1 开始，如果不写索引，则索引就会被认为是数字，并按顺序自动从1往后编；

　　(5)table 不会固定长度大小，有新数据插入时长度会自动增长；

　　(6)table 里保存数据可以是任何类型，包括function和table；

　　(7)table所有元素之间，总是用逗号 "，" 隔开；

2.元表(metatable)

　　关于元表的概念以及它的要点，我们已经在《》这篇推送中做了深入地探讨，在此就不再赘述了，忘记了或者不熟悉的小伙伴可以去看一下。

三、Lua中实现类、继承、多态

1.利用Lua实现类

　　在面向对象的特性中，类一般都有类名，构造方法，成员方法，属性等。下面我们就用Lua中的table和元表实现一下模拟类中的这些特性，Class.lua 代码如下：

 1 --类的声明，这里声明了类名还有属性，并且给出了属性的初始值
 2 Class = {x=0,y=0}
 3 --设置元表的索引，想模拟类的话，这步操作很关键
 4 Class.__index = Class
 5 --构造方法，构造方法的名字是随便起的，习惯性命名为new()
 6 function Class:new(x,y)
 7      local self = {}
  --初始化self，如果没有这句，那么类所建立的对象如果有一个改变，其他对象都会改变
 8      setmetatable(self, Class)
  --将self的元表设定为Class
 9      self.x = x   --属性值初始化
10      self.y = y
11      return self  --返回自身
12 end
13
14 --这里定义类的其他方法
15 function Class:test()
16  print(self.x,self.y)
17 end
18 
19 function Class:plus()
20  self.x = self.x + 1
21  self.y = self.y + 1
22 end

　　简单解释一下，在Lua中的类，其实都是table，因为table既可以存储普通变量又可以存储函数或者另一个table，利用这个特性，我们实现了面向对象的类中的方法、属性(字段)和构造方法。而设置元表和__index元方法这一步也是必不可少的，我们需要借助它的查找机制来实现类的继承和多态等。

2.利用Lua实现继承

　　在上面我们实现了Lua中的类，那么实现继承也就不是什么难事了，SubClass.lua 代码如下：

 1 require 'Class'
 2 
 3 --声明了新的属性Z  
 4 SubClass = {z = 0}  
 5 --设置元表为Class   
 6 setmetatable(SubClass, Class)  
 7 --还是和类定义一样，表索引设定为自身  
 8 SubClass.__index = SubClass  
 9 --这里是构造方法
10 function SubClass:new(x,y,z)  
11    local self = {}         --初始化对象自身  
12    self = Class:new(x,y)   
    --将对象自身设定为父类，这个语句相当于其他语言的super ，可以理解为调用父类的构造函数 
13    setmetatable(self, SubClass)    
    --将对象自身元表设定为SubClass类  
14    self.z= z                 
    --新的属性初始化，如果没有将会按照声明=0  
15    return self  
16 end  
17 
18 --定义一个新的方法  
19 function SubClass:go()  
20    self.x = self.x + 10  
21 end  
22 
23 --重定义父类的方法，相当于override
24 function SubClass:test()  
25      print(self.x,self.y,self.z) 
26 end

　　代码里面的注释已经很全了，关键点是通过设置SubClass的元表为它的父类Class，从而很方便地实现了继承，这还是要归功于table的查找机制。在子类SubClass中，我们可以自由地新增字段和子类独有的新方法。而且还可以重定义或者说覆盖/重写父类的方法，类似于Java中的override，子类覆盖父类的虚方法。有了这些我们就可以模拟面向对象中的多态了。

3.利用Lua实现多态

　　这里我们新建一个 Main.lua 将它作为我们程序的入口，在里面测试一下我们上面的代码是否如我们所期待的那样，Main.lua 代码如下：

 1 require 'Class' 
 2 require 'SubClass' 
 3  
 4 local a = Class:new() 
   -- 首先实例化父类的对象，并调用父类中的方法 
 5 a:plus()
 6 a:test() 
 7  
 8 a = SubClass:new()  -- 然后实例化子类对象 
 9 a:plus() -- 子类对象可以访问到父类中的成员和方法
10 a:go()          -- 子类对象调用子类中的新增方法
11 a:test()         -- 子类对象调用重写的方法

　　程序运行的输出结果如下：

1       111      1       0

　　首先我们实例化父类对象并调用父类中的方法，结果输出了1 1，符合预期。接着我们再实例化了子类的对象，然后成功地访问到了父类中的成员变量和方法，并且还可以访问子类中的新增方法，最后我们再执行了重写过父类中虚函数的方法，结果输出 11 1 0，也是正确的。

四、总结

　　通过简单地几步，我们就在Lua中成功地模拟了类、继承和多态的特性，这可以给我们程序开发带来了不少的方便。以Unity游戏开发举例，tolua/ulua是Unity游戏开发热更新方案中的一种，他们功能很强大，但是美中不足的一点就是它们没有提供面向对象的特性，所以在开发的时候，很多直接就是全局函数、全局变量和过程式的开发流程，影响了开发的效率，更对之后的维护带来诸多不便。因此我们就可以通过与本篇中类似的方法，改进tolua/ulua，让它们也可以实现面向对象开发。当然本篇中的代码只是作为抛砖引玉，它其实是十分简陋的，想用在商业项目中还需要做很多的改良与完善。至于如何改进tolua/ulua，让他们支持面向对象特性，我们将在以后的篇章中继续探讨。

 　　本篇博客中的代码已经同步到Github:https://github.com/XINCGer/Unity3DTraining/tree/master/SomeTest/Lua_Class   欢迎fork!