Lua教程（九）：元表与元方法详解

Lua中提供的元表是用于帮助Lua数据变量完成某些非预定义功能的个性化行为，如两个table的相加。假设a和b都是table，通过元表可以定义如何计算表达式a+b。当Lua试图将两个table相加时，它会先检查两者之一是否有元表，然后检查该元表中是否存在__add字段，如果有，就调用该字段对应的值。这个值就是所谓的“元方法”，这个函数用于计算table的和。

Lua中每个值都有一个元表。table和userdata可以有各自独立的元表，而其它数据类型的值则共享其类型所属的单一元表。缺省情况下，table在创建时没有元表，如：
 

代码如下:

t = {}
    print(getmetatable(t))  --输出为nil

这里我们可以使用setmetatable函数来设置或修改任何table的元表。

代码如下:

t1 = {}
    setmetatable(t,t1)
    assert(getmetatable(t) == t1)

任何table都可以作为任何值的元表，而一组相关的table也可以共享一个通用的元表，此元表将描述了它们共同的行为。一个table甚至可以作为它自己的元表，用于描述其特有的行为。在Lua代码中，只能设置table的元表，若要设置其它类型值的元表，则必须通过C代码来完成。

    1. 算术类的元方法：

在下面的示例代码中，将用table来表示集合，并且有一些函数用来计算集合的并集和交集等。
 

代码如下:

Set = {}
local metatable = {} --元表

--根据参数列表中的值创建一个新的集合
function Set.new(l)
    local set = {}
    --将所有由该方法创建的集合的元表都指定到metatable
    setmetatable(set,metatable)
    for _, v in ipairs(l) do
        set[v] = true
    end
    return set
end

--取两个集合并集的函数
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

--取两个集合交集的函数
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.tostring(set)
    local l = {}
    for e in pairs(set) do
        l[#l + 1] = e
    end
    return "{" .. table.concat(l,", ") .. "}";
end

function Set.print(s)
    print(Set.tostring(s))
end

--最后将元方法加入到元表中，这样当两个由Set.new方法创建出来的集合进行
--加运算时，将被重定向到Set.union方法，乘法运算将被重定向到Set.intersection
metatable.__add = Set.union
metatable.__mul = Set.intersection

--下面为测试代码
s1 = Set.new{10,20,30,50}
s2 = Set.new{30,1}
s3 = s1 + s2
Set.print(s3)
Set.print(s3 * s1)

--输出结果为：
--{1, 30, 10, 50, 20}
--{30, 10, 50, 20}

在元表中，每种算术操作符都有对应的字段名，除了上述的__add(加法)和__mul(乘法)外，还有__sub(减法)、__div(除法)、__unm(相反数)、__mod(取模)和__pow(乘幂)。此外，还可以定义__concat字段，用于描述连接操作符的行为。

对于上面的示例代码，我们在算术运算符的两侧均使用了table类型的操作数。那么如果为s1 = s1 + 8，Lua是否还能正常工作呢？答案是肯定的，因为Lua定位元表的步骤为，如果第一个值有元表，且存在__add字段，那么Lua将以这个字段为元方法，否则会再去查看第二个值否是有元表且包含__add字段，如果有则以此字段为元方法。最后，如果两个值均不存在元方法，Lua就引发一个错误。然而对于上例中的Set.union函数，如果执行s1 = s1 + 8将会引发一个错误，因为8不是table对象，不能基于它执行pairs方法调用。为了得到更准确的错误信息，我们需要给Set.union函数做如下的修改，如：

代码如下:

function Set.union(a,b)
    if getmetatable(a) ~= metatable or getmetatable(b) ~= metatable then
        error("attempt to 'add' a set with a non-set value")
    end
    --后面的代码与上例相同。
    ... ...
end

2. 关系类的元方法：

元表还可以指定关系操作符的含义，元方法分别为__eq(等于)、__lt(小于)和__le(小于等于)，至于另外3个关系操作符，Lua没有提供相关的元方法，可以通过前面3个关系运算符的取反获得。见如下示例：

代码如下:

Set = {}
local metatable = {}

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

metatable.__le = function(a,b)
    for k in pairs(a) do
        if not b[k] then return false end
    end
    return true
end
metatable.__lt = function(a,b) return a <= b and not (b <= a) end
metatable.__eq = function(a,b) return a <= b and b <= a end

--下面是测试代码：
s1 = Set.new{2,4}
s2 = Set.new{4,10,2}
print(s1 <= s2) --true
print(s1 < s2)  --true
print(s1 >= s1) --true
print(s1 > s1)  --false

与算术类的元方法不同，关系类的元方法不能应用于混合的类型。

    3. 库定义的元方法：

除了上述基于操作符的元方法外，Lua还提供了一些针对框架的元方法，如print函数总是调用tostring来格式化其输出。如果当前对象存在__tostring元方法时，tostring将用该元方法的返回值作为自己的返回值，如：

代码如下:

Set = {}
local metatable = {}

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

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

--下面是测试代码：
s1 = Set.new{4,5,10}
print(s1) --{5,10,4}

函数setmetatable和getmetatable也会用到元表中的一个字段(__metatable)，用于保护元表，如：

代码如下:

mt.__metatable = "not your business"
 s1 = Set.new{}
 print(getmetatable(s1))   --此时将打印"not your business"
 setmetatable(s1,{})  --此时将输出错误信息："cannot change protected metatable"

从上述代码的输出结果即可看出，一旦设置了__metatable字段，getmetatable就会返回这个字段的值，而setmetatable将引发一个错误。

    4. table访问的元方法：

算术类和关系类运算符的元方法都为各种错误情况定义了行为，它们不会改变语言的常规行为。但是Lua还提供了一种可以改变table行为的方法。有两种可以改变的table行为：查询table及修改table中不存在的字段。
    
    1). __index元方法：

当访问table中不存在的字段时，得到的结果为nil。如果我们为该table定义了元方法__index，那个访问的结果将由该方法决定。见如下示例代码：
 

代码如下:

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

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

--将Window的元方法__index指向一个匿名函数
--匿名函数的参数table和key取自于table.key。
Window.mt.__index = function(table,key) return Window.prototype[key] end

--下面是测试代码：
w = Window.new{x = 10, y = 20}
print(w.width)   --输出100
print(w.width1)  --由于Window.prototype变量中也不存在该字段，因此返回nil。

最后，Lua为__index元方法提供了一种更为简洁的表示方式，如：Window.mt.__index = Window.prototype。该方法等价于上例中的匿名函数表示方法。相比而言，这种简洁的方法执行效率更高，但是函数的方法扩展性更强。
    如果想在访问table时禁用__index元方法，可以通过函数rawget(table,key)完成。通过该方法并不会加速table的访问效率。

2). __newindex元方法：
    和__index不同的是，该元方法用于不存在键的赋值，而前者则用于访问。当对一个table中不存在的索引赋值时，解释器就会查找__newindex元方法。如果有就调用它，而不是直接赋值。如果这个元方法指向一个table，Lua将对此table赋值，而不是对原有的table赋值。此外，和__index一样，Lua也同样提供了避开元方法而直接操作当前table的函数rawset(table,key,value)，其功能类似于rawget(table,key)。

3). 具有默认值的table：
    缺省情况下，table的字段默认值为nil。但是我们可以通过元表修改这个默认值，如：
 

代码如下:

function setDefault(table,default)
    local mt = {__index = function() return default end }
    setmetatable(table,mt)
end
tab = {x = 10, y = 20}
print(tab.x,tab.z)  --10    nil
setDefault(tab,0)
print(tab.x,tab.z)  --10    0

4). 跟踪table的访问：
    __index和__newindex都是在table中没有所需访问的index时才发挥作用的。因此，为了监控某个table的访问状况，我们可以为其提供一个空table作为代理，之后再将__index和__newindex元方法重定向到原来的table上，见如下代码：
 

代码如下:

t = {}        --原来的table
local _t = t  --保持对原有table的私有访问。
t = {}        --创建代理
--创建元表
local mt = {
    __index = function(table,key)
        print("access to element " .. tostring(key))
        return _t[key]  --通过访问原来的表返回字段值
    end,
   
    __newindex = function(table,key,value)
        print("update of element " .. tostring(key) .. " to " .. tostring(value))
        _t[key] = value  --更新原来的table
    end
}
setmetatable(t,mt)

t[2] = "hello"
print(t[2])

--输出结果为
--update of element 2 to hello
--access to element 2
--hello

 5). 只读的table：
    通过代理的概念，可以很容易的实现只读table。只需跟踪所有对table的更新操作，并引发一个错误即可，见如下示例代码：

代码如下:

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

days = readOnly{"Sunday","Monday","Tuesday","Wednesday","Thursday","Friday","Saturday"}
print(days[1])
days[2] = "Noday"

--输出结果为：
--[[
Sunday
lua: d:/test.lua:6: attempt to update a read-only table
stack traceback:
        [C]: in function 'error'
        d:/test.lua:6: in function <d:/test.lua:5>
        d:/test.lua:15: in main chunk
        [C]: ?
]]--