第25章 调用 C 函数
扩展 Lua 的基本方法之一就是为应用程序注册新的 C 函数到 Lua中去。
当我们提到 Lua 可以调用 C 函数，不是指 Lua 可以调用任何类型的 C 函数(有一些包可以让 Lua 调用任意的 C 函数，但缺乏便捷和健壮性)。正如我们前面所看到的，当C 调用 Lua函数的时候，必须遵循一些简单的协议来传递参数和获取返回结果。相似的， 从Lua 中调用 C 函数，也必须遵循一些协议来传递参数和获得返回结果。另外，从
Lua 调用 C 函数我们必须注册函数，也就是说，我们必须把C 函数的地址以一个适当的方式传递给 Lua解释器。
当 Lua调用 C 函数的时候，使用和 C调用Lua 相同类型的栈来交互。C 函数从栈中获取她的参数，调用结束后将返回结果放到栈中。为了区分返回结果和栈中的其他的值， 每个 C 函数还会返回结果的个数(the function returns(in C) the number of results it is leaving on the stack)。这儿有一个重要的概念：用来交互的栈不是全局变量，每一个函数都有他自己的私有栈。当
Lua调用 C 函数的时候，第一个参数总是在这个私有栈的index = 1 的位置。甚至当一个C函数调用 Lua 代码（Lua 代码调用同一个 C 函数或者其他的C函数)，每一个 C 函数都有自己的独立的私有栈，并且第一个参数在 index =1 的位置。
25.1C 函数
先看一个简单的例子，如何实现一个简单的函数返回给定数值的 sin 值（更专业的 实现应该检查他的参数是否为一个数字)：
static int l_sin (lua_State *L) {
double d = lua_tonumber(L, 1); /* get argument */
lua_pushnumber(L, sin(d));/* push result */
return 1; /* number ofresults */
}
任何在 Lua 中注册的函数必须有同样的原型，这个原型声明定义就是 lua.h 中的lua_CFunction:
typedef int (*lua_CFunction) (lua_State *L);
从 C 的角度来看，一个 C函数接受单一的参数 Lua state，返回一个表示返回值个数的数字。所以，函数在将返回值入栈之前不需要清理栈，函数返回之后，Lua 自动的清除栈中返回结果下面的所有内容。
我们要想在 Lua 使 用这个函数，还必须首先注册这个函数。我们使用lua_pushcfunction来完成这个任务：他获取指向 C函数的指针，并在 Lua 中创建一个 function类型的值来表示这个函数。一个 quick-and-dirty 的解决方案是将这段代码直接放 到 lua.c 文件中，并在调用lua_open
后面适当的位置加上下面两行:
lua_pushcfunction(l,l_sin); lua_setglobal(l, "mysin");
第一行将类型为 function 的值入栈，第二行将 function赋值给全局变量 mysin。这样修改之后，重新编译 Lua，你就可以在你的 Lua 程序中使用新的mysin 函数了。在下面 一节，我们将讨论以比较好的方法将新的C 函数添加到 Lua中去。
对于稍微专业点的 sin 函数，我们必须检查 sin 的参数的类型。有一个辅助库中的 luaL_checknumber 函数可以检查给定的参数是否为数字:当有错误发生的时候，将抛出 一个错误信息;否则返回作为参数的那个数字。将上面我们的函数稍作修改:
static int l_sin (lua_State *L) {
double d = luaL_checknumber(L, 1);
lua_pushnumber(L, sin(d));
return 1; /* number ofresults */
}
根据上面的定义，如果你调用 mysin(‘a‘),会得到如下信息:
bad argument#1 to 'mysin' (number expected, got string)
注意看看 luaL_checknumber是如何自动使用:参数 number(1)，函数名("mysin")， 期望的参数类型("number")，实际的参数类型("string")来拼接最终的错误信息的。
下面看一个稍微复杂的例子：写一个返回给定目录内容的函数。Lua 的标准库并没有提供这个函数，因为 ANSIC 没有可以实现这个功能的函数。在这儿，我们假定我们 的系统符合 POSIX 标准。我们的 dir 函数接受一个代表目录路径的字符串作为参数，以数组的形式返回目录的内容。比如，调用 dir("/home/lua")可能返回{".", "..", "src", "bin","lib"}。当有错误发生的时候，函数返回
nil 加上一个描述错误信息的字符串。
#include <dirent.h>
#include <errno.h>
static int l_dir (lua_State *L) {
DIR *dir;
struct dirent *entry;
int i;
const char *path = luaL_checkstring(L, 1);
/* open directory */
dir =opendir(path);
if (dir == NULL) { /* error opening thedirectory? */
lua_pushnil(L); /* return niland ... */lua_pushstring(L, strerror(errno)); /* errormessage */
return 2; /* number of results*/
}
/* create resulttable */
lua_newtable(L);
i = 1;
while ((entry = readdir(dir)) !=NULL) {
lua_pushnumber(L, i++); /* push key */
lua_pushstring(L, entry->d_name); /* push value */
lua_settable(L, -3);
}
closedir(dir);
return 1; /* table isalready on top*/
}
辅助库的 luaL_checkstring 函数用来检测参数是否为字符串，与 luaL_checknumber 类似。(在极端情况下，上面的l_dir 的实现可能会导致小的内存泄漏。调用的三个 Lua 函数 lua_newtable、lua_pushstring和 lua_settable可能由于没有足够的内存而失败。其中任何一个调用失败都会抛出错误并且终止
l_dir，这种情况下，不会调用 closedir。正如 前面我们所讨论过的，对于大多数程序来说这不算个问题:如果程序导致内存不足，最好的处理方式是立即终止程序。另外，在 28章我们将看到另外一种解决方案可以避免这 个问题的发生)
25.2 C 函数库
一个 Lua 库实际上是一个定义了一系列 Lua 函数的 chunk，并将这些函数保存在适当的地方，通常作为 table 的域来保存。Lua的 C 库就是这样实现的。除了定义 C 函数 之外，还必须定义一个特殊的用来和 Lua 库的主 chunk 通信的特殊函数。一旦调用，这个函数就会注册库中所有的 C 函数，并将他们保存到适当的位置。像一个 Lua 主 chunk一样，她也会初始化其他一些在库中需要初始化的东西。
Lua 通过这个注册过程，就可以看到库中的 C函数。一旦一个C 函数被注册之后并保存到Lua中，在 Lua程序中就可以直接引用他的地址(当我们注册这个函数的时候传递给 Lua 的地址)来访问这个函数了。换句话说，一旦C 函数被注册之后，Lua 调用这 个函数并不依赖于函数名，包的位置，或者调用函数的可见的规则。通常 C 库都有一个外部(public/extern)的用来打开库的函数。其他的函数可能都是私有的，在
C 中被声明为 static。
当你打算使用 C 函数来扩展 Lua 的时候，即使你仅仅只想注册一个 C函数，将你的 C 代码设计为一个库是个比较好的思想：不久的将来你就会发现你需要其他的函数。一般情况下，辅助库对这种实现提供了帮助。luaL_openlib 函数接受一个 C 函数的列表和 他们对应的函数名，并且作为一个库在一个 table 中注册所有这些函数。看一个例子，假 定我们想用一个我们前面提过的 l_dir 函数创建一个库。首先，我们必须定义库函数:
static int l_dir (lua_State *L) {
... /*as before */
}
第二步，我们声明一个数组，保存所有的函数和他们对应的名字。这个数组的元素 类型为 luaL_reg:是一个带有两个域的结构体，一个字符串和一个函数指针。
static const structluaL_reg mylib [] = {
{"dir", l_dir},
{NULL, NULL} /* sentinel*/
};
在我们的例子中，只有一个函数 l_dir 需要声明。注意数组中最后一对必须是{NULL, NULL}，用来表示结束。第三步，我们使用 luaL_openlib 声明主函数:
int luaopen_mylib (lua_State *L) {
luaL_openlib(L, "mylib", mylib, 0);
return 1;
}
luaL_openlib 的第二个参数是库的名称。这个函数按照指定的名字创建(或者 reuse) 一个表，并使用数组 mylib 中的 name-function 对填充这个表。luaL_openlib 还允许我们为库中所有的函数注册公共的 upvalues。例子中不需要使用 upvalues，所以最后一个参 数为 0。luaL_openlib 返回的时候，将保存库的表放到栈内。luaL_openlib 函数返回 1， 返回这个值给 Lua。CThe
luaopen_mylib function returns1 to return this value to Lua)（和 Lua 库一样，这个返回值是可选的，因为库本身己经赋给了一个全局变量。另外，像在 Lua 标准库中的一样，这个返回不会有额外的花费，在有时候可能是有用的。)
完成库的代码编写之后，我们必须将它链接到 Lua解释器。最常用的方式使用动态连接库，如果你的 Lua解释器支持这个特性的话（我们在8.2 节己经讨论过了动态连接 库)。在这种情况下，你必须用你的代码创建动态连接库Cwindows 下.dll 文件，linux 下.so 文件)。到这一步，你就可以在Lua中直接使用 loadlib 加载你刚才定义的函数库了，下 面这个调用:
mylib = loadlib("fullname-of-your-library", "luaopen_mylib")
将 luaopen_mylib 函数转换成 Lua 中的一个 C 函数，并将这个函数赋值给 mylib（那就是为什么 luaopen_mylib 必须和其他的 C 函数有相同的原型的原因所在)。然后，调用mylib()，将运行
luaopen_mylib打开你定义的函数库。
如果你的解释器不支持动态链接库，你必须将你的新的函数库重新编译到你的Lua 中去。除了这以外，还不要一些方式告诉独立运行的 Lua解释器，当他打开一个新的状态的时候必须打开这个新定义的函数库。宏定义可以很容易实现这个功能。第一，你必 须使用下面的内容创建一个头文件（我们可以称之为 mylib.h):
int luaopen_mylib (lua_State *L);
#define LUA_EXTRALIBS { "mylib", luaopen_mylib },
第一行声明了打开库的函数。第二行定义了一个宏 LUA_EXTRALIBS 作为函数数 组的新的入口，当解释器创建新的状态的时候会调用这个宏。（这个函数数组的类型为 struct luaL_reg[]，因此我们需要将名字也放进去)
为了在解释器中包含这个头文件， 你可以在你 的编译选项 中定义一个 宏LUA_USERCONFIG。对于命令行的编译器，你只需添加一个下面这样的选项即可:
-DLUA_USERCONFIG=\"mylib.h\"
（反斜线防止双引号被 shell 解释，当我们在 C 中指定一个头文件时，这些引号是 必需的。)在一个整合的开发环境中，你必须在工程设置中添加类似的东西。然后当你重 新编译 lua.c 的时候，它包含 mylib.h，并且因此在函数库的列表中可以用新定义的 LUA_EXTRALIBS 来打开函数库。