Lua中的面向对象实现探讨

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元表概念

Lua中，面向对向是用元表这种机制来实现的。元表是个很“道家”的机制，很深遂，很强大，里面有一些基本概念比较难理解透彻。不过，只有完全理解了元表，才能对Lua的面向对象使用自如，才能在写Lua代码的高级语法时游刃有余。

首先，一般来说，一个表和它的元表是不同的个体（不属于同一个表），在创建新的table时，不会自动创建元表。
但是，任何表都可以有元表（这种能力是存在的）。

e.g.
t = {}
print(getmetatable(t))   --> nil
t1 = {}
setmetatable(t, t1)
assert(getmetatable(t) == t1)

setmetatable( 表1， 表2) 将表2挂接为表1的元表，并且返回经过挂接后的表1。

元 表中的__metatable字段，用于隐藏和保护元表。当一个表与一个赋值了__metatable的元表进行挂接时，用getmetatable操作 这个表，就会返回__metatable这个字段的值，而不是元表！用setmetatable操作这个表（即给这个表赋予新的元表），那么就会引发一个 错误。

table: 0x9197200
Not your business
lua: metatest.lua:12: cannot change a protected metatable
stack traceback:
    [C]: in function 'setmetatable'
    metatest.lua:12: in main chunk
    [C]: ?

__index方法

元表中的__index元方法，是一个非常强力的元方法，它为回溯查询（读取）提供了支持。而面向对象的实现基于回溯查找。
当访问一个table中不存在的字段时，得到的结果为nil。这是对的，但并非完全正确。实际上，如果这个表有元表的话，这种访问会促使Lua去查找元表中的__index元方法。如果没有这个元方法，那么访问结果就为nil。否则，就由这个元方法来提供最终的结果。

__index 可以被赋值为一个函数，也可以是一个表。是函数的时候，就调用这个函数，传入参数（参数是什么后面再说），并返回若干值。是表的时候，就以相同的方式来重 新访问这个表。（是表的时候，__index就相当于元字段了，概念上还是分清楚比较好，虽然在Lua里面一切都是值）

注意，这个时候，出现了三个表的个体了。这块很容易犯晕，我们来理一下。
我 们直接操作的表，称为表A，表A的元表，称为表B，表B的__index字段被赋予的表，称为表C。整个过程是这样的，查找A中的一个字段，如果找不到的 话，会去查看A有没有元表B，如果有的话，就查找B中的__index字段是否有赋值，这个赋值是不是表C，如果是的话，就再去C中查找有没有想访问的那 个字段，如果找到了，就返回那个字段值，如果没找到，就返回nil。

对于没有元表的表，访问一个不存在的字段，就直接返回一个nil了。

__newindex是对应__index的方法，它的功能是“更新（写）”，两者是互补的。这里不细讲__newindex，但是过程很相似，灵活使用两个元方法会产生很多强大的效果。

从继承特性角度来讲，初步的效果使用__index就可以实现了。

面向对象的实现

Lua应该说，是一种原型语言。原型是一种常规的对象，当其他对象（类的实例）遇到一个未知的操作时，原型会去查找这个原型。在这种语言中要表示一个类，只需创建一个专用作其他对象的原型。实际上，类和原型都是一种组织对象间共享行为的方式。

Lua中实现原型很简单，在上面分析的的那个三个表中，C就是A的原型。

原理讲通后，来一点小技巧。其实，上面说的三个表嘛，不一定就是完全不同的。A和C可以是同一个。看下面的例子。

A = {}
setmetatable( A, { __index = A } )

这时，相当于A是A自身的原型了，自己是自己的原型，是个很有趣的字眼。就是说在查找的时候，在自己身上找不到就不会去其他地方找了。不过，自身是自身的原型本身并没有多大用的。如果A能做为一个类，然后生成的新对象以A做为原型，这才有用，后面谈。

再看，自身也可以是自身的元表的。即A可以是A的元表。

A = {}
setmetatable( A, A )
这时就可以这样写了，
A.__index = 表或函数
自己是自己的元表有用处的，如果A.__index是赋予的一个表，至少能在内存中少产生一个表；而如果A.__index是一个函数，那么就会产生很简洁强大的效果。（__index为其本身的一个字段了，不是很简洁吗）

然后，元表B与原型表C也可以是同一个。
A = {}
B = {}
B.__index = B
setmetatable( A, B )
这时，一个表的元表，就是这个表的原型，在面向对象的概念里，就是这个表的类。

我们甚至可以，这样来写：

A = {}
setmetatable( A, A )
A.__index = A

从语法原理上，是行得通的。但Lua解释器为了避免出现不必要的麻烦（循环定义），把这种情况给Kick掉了，如果这样写，会报错，并提示

loop in gettable

说真的，这样定义也确实没什么用处。

下面开始正式进入面向对象的实现。

先引用一下Sputnik中的实现片断，

local Sputnik = {}
local Sputnik_mt = {__metatable = {}, __index = Sputnik}

function new(config, logger)

   -- 这里生成obj对象之后，obj的原型就是Sputnik了，而后面会有很多的Sputnik的方法定义
   local obj = setmetatable({}, Sputnik_mt)
   -- 这里的方法就是“继承”的Sputnik的方法
   obj:init(config)
   返回这个对象的引用
   return obj
end

由上面可见，两个表定义加上一个方法，实现了类，及由类产生对象的方案。因为这是在模块中，故new前面没有表名称。这种方式实现有个好处，就是在外界调用此模块的时候，使用

sputnik = require "sputnik"
然后，调用
s = sputnik.new()
就可以生成一个sputnik对象s了，这个对象会继承原型Sputnik（就是上面定义的那个表）的所有方法和属性。

但是，这种方法定义的，也有点问题，就是，类的继承实现上不方便。它只是在类的定义上，和生成对象的方式上比较方便，但是在类之间的继承上不方便。

下面，用另一种方式实现。

A = {
    x = 10,
    y = 20
}

function A:new( t )
    local t = t or {}
    self.__index = self
    setmetatable( t, self )
    return t
end

从A中产生一个对象AA

AA = A:new()

此时，AA就是一个新表了，它是一个对象，但也是一个类。它还可以继续如下操作：

s = AA:new()

AA中本来是没有new这个方法的，但它被赋予了一个元表（同时也是原型），这个时候是A，A中有new方法和x，y两个字段。

AA 通过__index回溯到A找到了new方法，并且执行new的代码，同时还会传入self参数。这就是奇妙所在，此时候传入的self参数引用的是AA 这个表，而不再是第一次调用时A这个表了。因此 AA:new() 执行后，同样，是生成了一个新的对象s，同时这个对象以AA为原型，并且继承AA的所有内容。至此，我们不是已经实现了类的继承了吗？AA现在是A的子 类，s是AA的一个对象实例。后面还可以以此类推，建立长长的继承链。

由上也可见，类与原型概念上还是有区别的，Lua是一种原型语言，这点体现的得很明显，类在这种语言中，就是原型，而原型仅仅是一个常规对象。

下面，如果在A中定义了函数：
function A:acc( v )
    self.x = self.x + v
end

function A:dec( v )
    if v > self.x then error "not more than zero" end
    self.x = self.x - v
end

然后，现在调用
s:acc(5)

那么，是这样调用的，先是查找s中有无acc这个方法，没有找到，然后去找AA中有无acc这个方法，还是没找到，就去A中找有无此方法，找到了。找到后，将指向s的self参数和5这个参数传进acc函数中，并执行acc的代码，执行里面代码的时候，这一句：
self.x = self.x + v
在表达式右端，self.x是一个空值，因为self现在指向的是s，因此，根据__index往回回溯，一直找到A中有一个x，然后引用这个x值，10，因此，上面表达式就变成
self.x = 10 + 5
右边计算得15，赋值给左边，但这时self.x没有定义，但是s（及s的元表）中也没有定义__newindex元方法，于是，就在self（此时为s）所指向的表里面新建一个x字段，然后将15赋值给这个字段。

经过这个操作之后，实例s中，就有一个字段（成员变量）x了，它的值为15。
下次，如果再调用
s:dec(10)
的话，就会做类似的回溯操作，不过这次只做方法的回溯，而不做成员变量x的回溯，因为此时s中已经有x这个成员变量了，执行了这个函数后，s.x会等于5。

综上，这就是整个类继承，及对象实例方法引用的过程了。不过，话还没说完。

AA作为A的子类，本身是可以有一些作为的，因为AA之下的类及对象在查找时，都会先通过它这一关，才会到它的父亲A那里去，因此，它这里可以重载A的方法，比如，它可以定义如下函数：

function AA:acc(v)
    ...
end

function AA:dec(v)
    ...
end

函数里面可以写入一些新的不一样的内容，以应对现实世界中复杂的差异性。这个特性用面向对象的话来说，就是子类可以覆盖父类的方法及成员变量（字段），也就是重载。这个特性是必须的。

AA中还可以定义一些A中没有的方法和字段，操作是一样的，这里提一下。

Lua 中的对象还有一个很灵活强大的特性，就是无须为指定一种新行为而创建一个新类。如果只有一个对象需要某种特殊的行为，那么可以直接在该对象中实现这个行 为。也就是说，在对象被创建后，对象的方法和字段还可以被增加，重载，以应对实际多变的情况。而毋须去劳驾类定义的修改。这也是类是普通对象的好处。更加 灵活。

可以看出，A:new()这个函数是一个很关键的函数，在类的继承中起了关键性因素。不过为了适应在模块中使用的情况（很多），在function A:new(t)之外还定义一个
function new(t)
    A:new(t)
end
将生成函数封装起来，然后，只需使用 模块名.new() 就可以在模块外面生成一个A的实例对象了。

差不多了吧，可以看到，这种类实现的机制是多么自洽，简洁，灵活，强大！不过要折磨下你的大脑了。