Lua之metatable

一、元表

Lua中的每个值都有一套预定义的操作集合，也可以通过metatable（元表）来定义一个值的行为，metatable包含了一组meatmethod（元方法）。

Lua中的每个值都有一个metatable，table和userdata可以有各自独立的metatable，而其他类型的值则共享其类型所属的单一metatable。

在Lua代码中，只能设置table的metatable，若要设置其他类型的值的metatable，必须通过C代码来完成。

Lua标准库中只有string库有默认metatable，其它类型在默认情况下都没有metatable。

getmetatable(‘ab‘)         -- table: 0x1b684b0
getmetatable(123)          -- nil
getmetatable({1})          -- nil

下面是一个例子，用table模拟集合操作，并利用metatable实现了交集、并集运算：

Set = {}

local mt = {}       -- metatable

function Set.new(l)
    local set = {}
    setmetatable(set, mt)       -- set metatable for all "set" type
    for _,v in ipairs(l) do set[v] = true end
    return set
end

function Set.union(a,b)
    local res = Set.new{}
    for k in pairs(a) do res[k] = true end
    for k in pairs(b) do res[k] = true end
    return res
end

function Set.intersection(a,b)
    local res = Set.new{}
    for k in pairs(a) do res[k] = b[k] end
    return res
end

function Set.sub(a, b)
    for k in pairs(a) do
        if not b[k] then return false end
    end
    return true
end

function Set.tostring(set)
    local l = {}
    for e in pairs(set) do
        l[#l + 1] = e
    end
    return "{" .. table.concat(l, ",") .. "}"
end

mt.__add = Set.union
mt.__mul = Set.intersection
mt.__le =  Set.sub
mt.__tostring = Set.tostring

s1 = Set.new{10,20,30,50}
s2 = Set.new{30, 1}
s3 = Set.new{20,50}

print(getmetatable(s1))     -- 0x12e6cb0
print(getmetatable(s2))     -- 0x12e6cb0

print(s1+s2)     -- {1,30,10,50,20}
print(s1*s2)     -- {30}

print(s3<=s1)    -- true

在metatable中，每种算术操作都有对应的字段名，除了上述的__add和__mul外，还有其它的一些字段，如下表：

metatable中关系运算符只支持 ==、< 、<=，Lua会将 a~=b转化为 not (a==b)，将a>b转化为b<a，将a>=b转化为b<=a。

当一个算术表达式中混合了具有不同metatable的值时，例如

s = Set.new{1,2,3}
s = 8 + s

Lua会按照如下步骤查找metatable

1、如果第一个值有metatable，并且有__add字段，那么就使用该字段作为meatmethod；
2、如果第一个值没有metatable，但第二个值有metatable，并且有__add字段,那么就使用该字段作为meatmethod；
3、如果两个值都没有metatable，Lua就引发一个错误。

因此，上例会调用 Set.union，但在Set.union 函数内部会发生错误！

与算术类的meatmethod不同，关系类的meatmethod不能应用于混合的类型。如果试图将一个字符串与一个数字作顺序比较，Lua会引发一个错误。同样，如果试图比较两个具有不同meatmethod的对象，Lua也会引发一个错误。

注意，等于比较永远不会引发错误。如果两个对象具有不同的meatmethod，直接返回false。

二、访问table的元方法

当访问table中一个不存在的字段时，会调用其metatable的__index元方法，如果没有这个元方法，返回nil。否则，就由__index元方法提供查找结果。

Window = {}
Window.prototype = {x=0, y=0, width=100, height=100}
Window.mt = {}

Window.mt.__index = function(table, key)
    return Window.prototype[key]
    end 

function Window.new(o)
    setmetatable(o, Window.mt)
    return o
end

w1 = Window.new({x=10, y=20, width=37})
print(w1.width)     -- 37

w2 = Window.new({x=10, y=20})
print(w2.width)     -- 100

　print(rawget(w1, ‘width‘)) -- 37
　print(rawget(w2, ‘width‘)) -- nil

注意：如果不想使用元表，可以使用rawget方法，它对table进行一次不考虑元表的简单访问。

在Lua中，将__index元方法用于继承是很普遍的方法，__index元方法不必一定是函数，也可以是一个table：
当__index是一个函数时，以table和不存在的key作为参数来调用该函数；
当__index是一个table时，Lua就以相同的方式来重新访问这个table，因此，上面的例子的__index元方法也可以如下：

Window.mt.__index = Window.prototype

当对table中一个不存在的索引赋值时，会查找__newindex元方法，如果有这个元方法，就调用它，而不是执行赋值。

如果__newindex是一个table，就在此table中执行赋值，而不是对原来的table。

类似rawget，调用rawset(t,k,v)，可以不涉及任何元方法而直接设置t[k]=v。

组合使用__index和__newindex元方法可以实现一些强大的功能，比如：只读table，具有默认值的table、面向对象编程中的继承等。

例子一、具有默认值的table：

local mt = {__index=function() return t.___ end}

function setDefault(t,d)
    t.___ = d
    setmetatable(t, mt)
end 

tab = {x=10, y=20}
print(tab.x, tab.z) --10, nil

setDefault(tab, 0)
print(tab.x, tab.z) -- 10, 0

注意： __index和__newindex都是在table中没有所需访问的索引时才发挥作用的。

例子二，通过一个空table来代理对原table的访问，从而来跟踪对table的访问过程：

t = {1,3,4}

local _t = t

t = {} -- proxy

local mt = {
    __index = function(t,k) print("access to element " .. tostring(k)) return _t[k] end,
    __newindex = function(t,k,v) print("update of element " .. tostring(k) .. " to " .. tostring(v)) _t[k] = v end,
}       

setmetatable(t, mt)

t[1] = "hello"
print(t[1])

输出为：

update of element 1 to hello
access to element 1
hello

例子三，实现一个只读table：

function readOnly(t)

    local proxy = {}
    local mt = {
        __index = t,
        __newindex = function(t,k,v) error("attempt to update a read-only table", 2) end
    }
    setmetatable(proxy, mt)
    return proxy
end 

days = readOnly{"Sun", "Mon", "Tue", "Wed", "Thu", "Fri", "Sat"}
print(days[1])
days[2] = "No"　　　　-- error