C/C++程序员的Lua快速入门 c++编程序

C/C++程序员的Lua快速入门
指南
Robert Z
2010-1前言
本文针对的读者是有经验的C/C++程序员，希望了解Lua或者迅速抓住Lua的关键
概念和模式进行开发的。因此本文并不打算教给读者条件语句的语法或者函数定
义的方式等等显而易见的东西，以及一些诸如变量、函数等编程语言的基本概
念。本文只打算告诉读者Lua那些与C/C++显著不同的东西以及它们实际上带来了
怎样不同于C/C++的思考方式。不要小看它们，它们即将颠覆你传统的C/C++的世
界观！
本文一共分初阶、进阶和高阶三大部分，每个部分又有若干章节。读者应当从
头至尾循序渐进的阅读，但是标有“*”号的章节（主要讨论OO在Lua中的实现方
式）可以略去而不影响对后面内容的理解。读者只要把前两部分完成就可以胜任
Lua开发的绝大部分任务。高阶部分可作为选择。
本文不打算取代Lua参考手册，因此对一些重要的Lua函数也未做足够的说明。
在阅读的同时或者之后，读者应当在实践中多多参考Lua的正式文档（附录里列出
了一些常用的Lua参考资料）。
请访问本文的在线版本获得最新更新。
另外，作者还有一个开源的Lua调试器——RLdb以及一个讨论Lua的站点，欢迎
访问。
欢迎读者来信反馈意见。初阶话题
数据类型
函数
表
简单对象的实现*
简单继承*数据类型
八种基本类型：
数值（number）
内部以double表示
字符串（string）
总是以零结尾，但可以包含任意字符（包括零），因此并不等价于C字符串，
而是其超集。
布尔（boolean）
只有“true”或者“false”两个值。
函数（function）
Lua的关键概念之一。不简单等同于C的函数或函数指针。
表（table）
异构的Hash表。Lua的关键概念之一。
userdata
用户（非脚本用户）定义的C数据结构。脚本用户只能使用它，不能定义。
线程(thread)
Lua协作线程（coroutine），与一般操作系统的抢占式线程不一样。
nil
代表什么也没有，可以与C的NULL作类比，但它不是空指针。函数
function foo(a, b, c)
local sum = a + b
return sum, c --函数可以返回多个值
end
r1, r2 = foo(1, '123', 'hello') --平行赋值
print(r1, r2)
输出结果：
124 hello函数（续）
函数定义
用关键字function定义函数，以关键字end结束
局部变量
用关键字local定义。如果没有用local定义，即使在函数内部定义的变量也
是全局变量！
函数可以返回多个值
return a, b, c, ...
平行赋值
a, b = c, d
全局变量
前面的代码定义了三个全局变量：foo、r1和r2表
a = { }
b = { x = 1, ["hello, "] = "world!" }
a.astring = "ni, hao!"
a[1] = 100
a["a table"] = b
function foo()
end
function bar()
end
a[foo] = bar
--分别穷举表a和b
for k, v in pairs(a) do
print(k, "=>", v)
end
print("----------------------------")
for k, v in pairs(b) do
print(k, "=>", v)
end
输出结果：
1 => 100
a table => table: 003D7238
astring => ni, hao!
function:
003DBCE0 => function:
003DBD00
----------------------------
hello, => world!
x => 1表
定义表（Table）的方式
a = {}, b = {…}
访问表的成员
通过“.”或者“[]”运算符来访问表的成员。
注意：表达式a.b等价于a[“b”]，但不等价于a[b]
表项的键和值
任何类型的变量，除了nil，都可以做为表项的键。从简单的数值、字符串
到复杂的函数、表等等都可以；同样，任何类型的变量，除了nil，都可以
作为表项的值。给一个表项的值赋nil意味着从表中删除这一项，比如令a.b
= nil，则把表a中键为“b”的项删除。如果访问一个不存在的表项，其值
也是nil，比如有c = a.b，但表a中没有键为“b”的项，则c等于nil。一种简单的对象实现方式*
function create(name, id)
local obj = { name = name, id = id }
function obj:SetName(name)
self.name = name
end
function obj:GetName()
return self.name
end
function obj:SetId(id)
self.id = id
end
function obj:GetId()
return self.id
end
return obj
end
o1 = create("Sam", 001)
print("o1's name:", o1:GetName(),
"o1's id:", o1:GetId())
o1:SetId(100)
o1:SetName("Lucy")
print("o1's name:", o1:GetName(),
"o1's id:", o1:GetId())
输出结果：
o1's name: Sam o1's id: 1
o1's name: Lucy o1's id: 100一种简单的对象实现方式*（续）
对象工厂模式
如前面代码的create函数
用表来表示对象
把对象的数据和方法都放在一张表内，虽然没有隐藏私有成员，但对于简单
脚本来说完全可以接受。
成员方法的定义
function obj:method(a1, a2, ...) … end 等价于
function obj.method(self, a1, a2, ...) … end 等价于
obj.method = function (self, a1, a2, ...) … end
成员方法的调用
obj:method(a1, a2, …) 等价于
obj.method(obj, a1, a2, ...)简单继承*
function createRobot(name, id)
local obj = { name = name, id = id }
function obj:SetName(name)
self.name = name
end
function obj:GetName()
return self.name
end
function obj:GetId()
return self.id
end
return obj
end
function createFootballRobot(name,
id, position)
local obj = createRobot(name, id)
obj.position = "right back"
function obj:SetPosition(p)
self.position = p
end
function obj:GetPosition()
return self.position
end
return obj
end简单继承*（续）
优点：
简单、直观
缺点：
传统、不够动态进阶话题
函数闭包（function closure）
基于对象的实现方式（object based programming）*
元表（metatable）
基于原型的继承（prototype based inheritance）*
函数环境（function envrionment）
包（package） 函数闭包
function createCountdownTimer
(second)
local ms = second * 1000
local function countDown()
ms = ms - 1
return ms
end
return countDown
end
timer1 = createCountdownTimer(1)
for i = 1, 3 do
print(timer1())
end
print("------------")
timer2 = createCountdownTimer(1)
for i = 1, 3 do
print(timer2())
end
输出结果：
999
998
997
------------
999
998
997函数闭包（续）
Upvalue
一个函数所使用的定义在它的函数体之外的局部变量（external local
variable）称为这个函数的upvalue。
在前面的代码中，函数countDown使用的定义在函数createCountdownTimer
中的局部变量ms就是countDown的upvalue，但ms对createCountdownTimer而
言只是一个局部变量，不是upvalue。
Upvalue是Lua不同于C/C++的特有属性，需要结合代码仔细体会。
函数闭包
一个函数和它所使用的所有upvalue构成了一个函数闭包。
Lua函数闭包与C函数的比较
Lua函数闭包使函数具有保持它自己的状态的能力，从这个意义上说，可以
与带静态局部变量的C函数相类比。但二者有显著的不同：对Lua来说，函数
是一种基本数据类型——代表一种（可执行）对象，可以有自己的状态；但
是对带静态局部变量的C函数来说，它并不是C的一种数据类型，更不会产生
什么对象实例，它只是一个静态地址的符号名称。基于对象的实现方式*
function create(name, id)
local data = { name = name, id = id
}
local obj = {}
function obj.SetName(name)
data.name = name
end
function obj.GetName()
return data.name
end
function obj.SetId(id)
data.id = id
end
function obj.GetId()
return data.id
end
return obj
end
o1 = create("Sam", 001)
o2 = create("Bob", 007)
o1.SetId(100)
print("o1's id:", o1.GetId(), "o2's id:",
o2.GetId())
o2.SetName("Lucy")
print("o1's name:", o1.GetName(),
"o2's name:", o2.GetName())

输出结果：
o1's id: 100 o2's id: 7
o1's name: Sam o2's name: Lucy基于对象的实现方式*（续）
实现方式
把需要隐藏的成员放在一张表里，把该表作为成员函数的upvalue。
局限性
基于对象的实现不涉及继承及多态。但另一方面，脚本编程是否需要继承和
多态要视情况而定。元表
t = {}
m = { a = " and ", b = "Li Lei", c = "Han Meimei" }
setmetatable(t, { __index = m}) --表{ __index=m }作为表t的元表
for k, v in pairs(t) do --穷举表t
print(k, v)
end
print("-------------")
print(t.b, t.a, t.c)
输出结果：
-------------
Li Lei and Han Meimei元表（续）
function add(t1, t2)
--‘#’运算符取表长度
assert(#t1 == #t2)
local length = #t1
for i = 1, length do
t1[i] = t1[i] + t2[i]
end
return t1
end

--setmetatable返回被设置的表
t1 = setmetatable({ 1, 2, 3}, { __add
= add })
t2 = setmetatable({ 10, 20, 30 }, {
__add = add })
t1 = t1 + t2
for i = 1, #t1 do
print(t1[i])
end
输出结果：
11
22
33元表（续）
定义
元表本身只是一个普通的表，通过特定的方法（比如setmetatable）设置到
某个对象上，进而影响这个对象的行为；一个对象有哪些行为受到元表影响
以及这些行为按照何种方式受到影响是受Lua语言约束的。比如在前面的代
码里，两个表对象的加法运算，如果没有元表的干预，就是一种错误；但是
Lua规定了元表可以“重载”对象的加法运算符，因此若把定义了加法运算
的元表设置到那两个表上，它们就可以做加法了。元表是Lua最关键的概念
之一，内容也很丰富，请参考Lua文档了解详情。
元表与C++虚表的比较
如果把表比作对象，元表就是可以改变对象行为的“元”对象。在某种程度
上，元表可以与C++的虚表做一类比。但二者还是迥然不同的：元表可以动
态的改变，C++虚表是静态不变的；元表可以影响表（以及其他类型的对
象）的很多方面的行为，虚表主要是为了定位对象的虚方法（最多再带上一
点点RTTI）。 基于原型的继承*
Robot = { name = "Sam", id = 001 }
function Robot:New(extension)
local t = setmetatable(extension or { }, self)
self.__index = self
return t
end
function Robot:SetName(name)
self.name = name
end
function Robot:GetName()
return self.name
end
function Robot:SetId(id)
self.id = id
end
function Robot:GetId()
return self.id
end
robot = Robot:New()
print("robot's name:", robot:GetName())
print("robot's id:", robot:GetId())
print("-----------------")
FootballRobot = Robot:New(
{position = "right back"})
function FootballRobot:SetPosition(p)
self.position = p
end
function FootballRobot:GetPosition()
return self.position
end
fr = FootballRobot:New()
print("fr's position:", fr:GetPosition())
print("fr's name:", fr:GetName())
print("fr's id:", fr:GetId())
print("-----------------")
fr:SetName("Bob")
print("fr's name:", fr:GetName())
print("robot's name:", robot:GetName())
输出结果：
robot's name: Sam
robot's id: 1
-----------------
fr's position: right back
fr's name: Sam
fr's id: 1
-----------------
fr's name: Bob
robot's name: Sam基于原型的继承*（续）
prototype模式
一个对象既是一个普通的对象，同时也可以作为创建其他对象的原型的对象
（即类对象，class object）；动态的改变原型对象的属性就可以动态的影
响所有基于此原型的对象；另外，基于一个原型被创建出来的对象可以重载
任何属于这个原型对象的方法、属性而不影响原型对象；同时，基于原型被
创建出来的对象还可以作为原型来创建其他对象。函数环境
function foo()
print(g or "No g defined!")
end
foo()
setfenv(foo, { g = 100, print = print }) --设置foo的环境为表{ g=100, ...}
foo()
print(g or "No g defined!")
输出结果：
No g defined!
100
No g defined!函数环境（续）
定义
函数环境就是函数在执行时所见的全局变量的集合，以一个表来承载。
说明
每个函数都可以有自己的环境，可以通过setfenv来显示的指定一个函数的
环境。如果不显示的指定，函数的环境缺省为定义该函数的函数的环境。
在前面的代码中，函数foo的缺省环境里没有定义变量g，因此第一次执行
foo， g为nil，表达式g or "No g defined!"的值就是"No g defined!"。
随后，foo被指定了一个环境 { g = 100, print = print }。这个环境定义
了（全局）变量g，以及打印函数print，因此第二次执行foo，g的值就是
100。但是在定义函数foo的函数的环境下，g仍然是一个未定义的变量。
应用
函数环境的作用很多，利用它可以实现函数执行的“安全沙箱”；另外Lua
的包的实现也依赖它。包
--testP.lua:
pack = require "mypack" --导入包
print(ver or "No ver defined!")
print(pack.ver)
print(aFunInMyPack or
"No aFunInMyPack defined!")
pack.aFunInMyPack()
print(aFuncFromMyPack or
"No aFuncFromMyPack defined!")
aFuncFromMyPack()
--mypack.lua:
module(..., package.seeall) --定义包
ver = "0.1 alpha"
function aFunInMyPack()
print("Hello!")
end
_G.aFuncFromMyPack =
aFunInMyPack包（续）
执行testP.lua的输出结果：
No ver defined!
0.1 alpha
No aFunInMyPack defined!
Hello!
function: 003CBFC0
Hello!包（续）
定义
包是一种组织代码的方式。
实现方式
一般在一个Lua文件内以module函数开始定义一个包。module同时定义了一
个新的包的函数环境，以使在此包中定义的全局变量都在这个环境中，而非
使用包的函数的环境中。理解这一点非常关键。
以前面的代码为例， “module(..., package.seeall)”的意思是定义一个
包，包的名字与定义包的文件的名字相同（除去文件名后缀，在前面的代码
中，就是“mypack”），并且在包的函数环境里可以访问使用包的函数环境
（比如，包的实现使用了print，这个变量没有在包里定义，而是定义在使
用包的外部环境中）。
使用方式
一般用require函数来导入一个包，要导入的包必须被置于包路径（package
path）上。包路径可以通过package.path或者环境变量来设定。一般来说，
当前工作路径总是在包路径中。
其他
请参考Lua手册进一步了解包的详细说明。高阶话题
迭代（iteration）
协作线程（coroutine）迭代
function enum(array)
local index = 1
return function()
local ret = array[index]
index = index + 1
return ret
end
end
function foreach(array, action)
for element in enum(array) do
action(element)
end
end
foreach({1, 2, 3}, print)
输出结果：
1
2
3迭代（续）
定义
迭代是for语句的一种特殊形式，可以通过for语句驱动迭代函数对一个给定
集合进行遍历。正式、完备的语法说明较复杂，请参考Lua手册。
实现
如前面代码所示：enum函数返回一个匿名的迭代函数，for语句每次调用该
迭代函数都得到一个值（通过element变量引用），若该值为nil，则for循
环结束。协作线程
function producer()
return coroutine.create(
function (salt)
local t = { 1, 2, 3 }
for i = 1, #t do
salt =
coroutine.yield(t[i] + salt)
end
end
)
end
输出结果：
11
102
10003
END!
function consumer(prod)
local salt = 10
while true do
local running, product =
coroutine.resume(prod, salt)
salt = salt * salt
if running then
print(product or "END!")
else
break
end
end
end
consumer(producer())协作线程（续）
创建协作线程
通过coroutine.create可以创建一个协作线程，该函数接收一个函数类型的
参数作为线程的执行体，返回一个线程对象。
启动线程
通过coroutine.resume可以启动一个线程或者继续一个挂起的线程。该函数
接收一个线程对象以及其他需要传递给该线程的参数。线程可以通过线程函
数的参数或者coroutine.yield调用的返回值来获取这些参数。当线程初次
执行时，resume传递的参数通过线程函数的参数传递给线程，线程从线程函
数开始执行；当线程由挂起转为执行时，resume传递的参数以yield调用返
回值的形式传递给线程，线程从yield调用后继续执行。
线程放弃调度
线程调用coroutine.yield暂停自己的执行，并把执行权返回给启动/继续它
的线程；线程还可利用yield返回一些值给后者，这些值以resume调用的返
回值的形式返回。协作线程（续） function instream()
return coroutine.wrap(function()
while true do
local line = io.read("*l")
if line then
coroutine.yield(line)
else
break
end
end
end)
end
function filter(ins)
return coroutine.wrap(function()
while true do
local line = ins()
if line then
line = "** " .. line .. " **"
coroutine.yield(line)
else
break
end
end
end)
end
function outstream(ins)
while true do
local line = ins()
if line then
print(line)
else
break
end
end
end
outstream(filter(instream()))
输入/输出结果：
abc
** abc **
123
** 123 **
^Z协作线程（续）
Unix管道与Stream IO
利用协作线程可以方便地设计出类似Unix管道或者Stream IO的结构。协作线程（续）
function enum(array)
return coroutine.wrap(function()
local len = #array
for i = 1, len do
coroutine.yield(array[i])
end
end)
end
function foreach(array, action)
for element in enum(array) do
action(element)
end
end
foreach({1, 2, 3}, print)
输出结果：
1
2
3协作线程（续）
另一种迭代方式
协作线程可以作为for循环迭代器的另一种实现方式。虽然对于简单的数组
遍历来说，没有必要这么做，但是考虑一下，如果需要遍历的数据集合是一
个复杂数据结构，比如一棵树，那么协作线程在简化实现上就大有用武之地
了。附录 常用的Lua参考资料
Lua参考手册（最正式、权威的Lua文档）
Lua编程（在线版，同样具权威性的Lua教科书）
Lua正式网站的文档页面（包含很多有价值的文档资料链接）
Lua维基（最全面的Lua维基百科）
LuaForge（最丰富的Lua开源代码基地）

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