lua面向对象封装及元表(metatable)性能测试

Posted 2020-07-03 coding my life

　　Lua本身是没有面向对象支持的，但面向对象编程在逻辑复杂的大型工程却很有用。于是很多人用Lua本身的数据结构table来模拟面向对象。最简单的一种方法是把对象的方法、成员都放到table中。如：

-- file:test.lua

local test = {}

function test:get_x()
    return self.x or 0
end

function test:set_x( _x )
    self.x = _x
end

local test_module = {}

function test_module.new()
    local t = {}
    for k,v in pairs( test ) do
        t[k] = v
    end

    return t
end

return test_module

调用也比较简单：

-- file:main.lua

local test = require "test"

local _t = test.new()

_t:set_x( 999 )
print( _t:get_x() )

这已经很像面向对象编程。但我们可以看到这样写有些缺点：

1.数据和方法混在一起(当然这不是什么大问题，C++也是这样)

2.每创建一个对象，都要将方法复制一遍

3.没法继承

Lua有强大的元表(metatable)，利用它我们可以更优雅地封装一下：

1.先统一封装一个面向对象函数：

-- file:oo.lua

local oo = {}

local cls = {}

local function new( clz )
    local t = {}
    setmetatable(t, clz)

    return t
end

function oo.class( parent,name )
    local t = {}
    cls[name] = t

    parent = parent or {}
    rawset( t,"__index",t )
    setmetatable( t,{ __index = parent,__call = new } )

    return t
end

return oo

2.然后重新写类的实现：

-- file:test.lua

local oo = require "oo"

local test = oo.class( nil,... )

function test:get_x()
    return self.x or 0
end

function test:set_x( _x )
    self.x = _x
end

return test

3.调用也更加简单了：

-- file:main.lua

local Test = require "test"

local _t = Test()

_t:set_x( 999 )
print( _t:get_x() )

可以看到，利用元表，我们可以把方法全部放到元表中，与对象成员数据分开。元表本身是一个表，它也有元表，可以把父类作为元表的元表实现继承。我们如果再扩展一下，还可以实现对象方法的热更，对象统计...

　　虽然元表很巧妙，但它的实现是有代价的。Lua得先在table中查找是否有相同的值，如果没有，再去元表找。如果是多重继承，那么还得一层层元表找下去。下面我们来测试一下元表的效率。

-- lua metatable performance test
-- 2016-04-01
-- xzc

local test = function( a,b ) return a+b end

local empty_mt1 = {}
local empty_mt2 = {}
local empty_mt3 = {}
local empty_mt4 = {}
local empty_mt5 = {}
local empty_mt6 = {}
local empty_mt7 = {}
local empty_mt8 = {}

local mt = {}
mt.test = test

local mt_tb = {}

setmetatable( empty_mt8,{__index = mt} )
setmetatable( empty_mt7,{__index = empty_mt8} )
setmetatable( empty_mt6,{__index = empty_mt7} )
setmetatable( empty_mt5,{__index = empty_mt6} )
setmetatable( empty_mt4,{__index = empty_mt5} )
setmetatable( empty_mt3,{__index = empty_mt4} )
setmetatable( empty_mt2,{__index = empty_mt3} )
setmetatable( empty_mt1,{__index = empty_mt2} )
setmetatable( mt_tb,{__index = empty_mt1} )

local tb = {}
tb.test = test

local ts = 10000000

f_tm_start()
local cnt = 0
for i = 1,ts do
    cnt = test( cnt,1 )
end
f_tm_stop( "call function native" )

f_tm_start()
local cnt = 0
for i = 1,ts do
    cnt = tb.test( cnt,1 )
end
f_tm_stop( "call function as table value" )

f_tm_start()
for i = 1,ts do
    cnt = empty_mt6.test( cnt,1 )
end
f_tm_stop( "call function with 3 level metatable" )

f_tm_start()
for i = 1,ts do
    cnt = mt_tb.test( cnt,1 )
end
f_tm_stop( "call function with 10 level metatable" )

在我的笔记本上测试，结果为：

local ts = 10000000
call function native	1091772	microsecond
call function as table value	1287172	microsecond
call function with 3 level metatable	2014431	microsecond
call function with 10 level metatable	3707181	microsecond

可以看到，采用第一种方法封闭的面向对象比原生函数调用慢不了多少，但用第二种方法实现3重继承的话，几乎慢了一倍。

　　在实际项目中，我们用的是第二种封装方式，最主要是可以继承和热更代码。虽然效率有一定影响，但实际应用中逻辑消耗的时间比函数调用的时间仍大得多，这点损耗可以接受。这个世界上没有最快，只有更快，不必盯着程序的效率看。在满足项目要求的情况下，开发效率也是很值得考虑的。