闭包和伪索引

例四，在Lua代码中调用C++函数

    能Lua代码中调用C函数对Lua来说至关重要，让Lua能真正站到C这个巨人的肩膀上。
    要写一个能让Lua调用的C函数，就要符合lua_CFunction定义：typedef int (*lua_CFunction) (lua_State *L);
    当Lua调用C函数的时候，同样使用栈来交互。C函数从栈中获取她的参数，调用结束后将结果放到栈中，并返回放到栈中的结果个数。
    这儿有一个重要的概念：用来交互的栈不是全局栈，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。

...
#include  //复数

//C函数，做复数计算，输入实部，虚部。输出绝对值和角度
int calcComplex(lua_State *L)
{
    //从栈中读入实部，虚部
    double r = luaL_checknumber(L,1);
    double i = luaL_checknumber(L,2);
    complex<double> c(r,i);
    //存入绝对值
    lua_pushnumber(L,abs(c));
    //存入角度
    lua_pushnumber(L,arg(c)*180.0/3.14159);
    return 2;//两个结果
}

int main()
{
    char *szLua_code =
        "v,a = CalcComplex(3,4) "
        "print(v,a)";

    lua_State *L = luaL_newstate();
    luaL_openlibs(L);

    //放入C函数
    lua_pushcfunction(L, calcComplex);
    lua_setglobal(L, "CalcComplex");

    //执行
    bool err = luaL_loadstring(L, szLua_code) || lua_pcall(L, 0, 0, 0);
    if(err)
    {
        cerr << lua_tostring(L, -1);
        lua_pop(L, 1);
    }

    lua_close(L);
    return 0;
}

    结果返回5 53.13...，和其它数据一样，给Lua代码提供C函数也是通过栈来操作的，因为lua_pushcfunction和lua_setglobal的 组合很常用，所以Lua提供了一个宏:
    #define lua_register(L,n,f) (lua_pushcfunction(L, (f)), lua_setglobal(L, (n)))
    这两句代码也就可写成lua_register(L,"CalcComplex",calcComplex);
   

闭包(closure)

    在编写用于Lua的C函数时，我们可能需要一些类似于面向对象的能力，比如我们想在Lua中使用象这样的一个计数器类:

struct CCounter{
    CCounter()
        :m_(0){}
    int count(){
        return ++i;
    }
private:
    int m_;
};

    这里如果我们仅仅使用lua_pushcfunction提供一个count函数已经不能满足要求(使用static? 不行，这样就不能同时使用多个计数器，并且如果程序中有多个Lua环境的话它也不能工作)。
    这时我们就需要一种机制让数据与某个函数关联，形成一个整体，这就是Lua中的闭包，而闭包里与函数关联的数据称为UpValue。
    使用Lua闭包的方法是定义一个工厂函数，由它来指定UpValue的初值和对应的函数，如：

...
//计算函数
int count(lua_State *L)
{
    //得到UpValue
    double m_ = lua_tonumber(L, lua_upvalueindex(1));
    //更改UpValue
    lua_pushnumber(L, ++m_);
    lua_replace(L, lua_upvalueindex(1));
    //返回结果（直接复制一份UpValue作为结果）
    lua_pushvalue(L, lua_upvalueindex(1));
    return 1;
}
//工厂函数，把一个数字和count函数关联打包后返回闭包。
int newCount(lua_State *L)
{
    //计数器初值（即UpValue）
    lua_pushnumber(L,0);
    //放入计算函数，告诉它与这个函数相关联的数据个数
    lua_pushcclosure(L, count, 1);
    return 1;//一个结果,即函数体
}

int main()
{
    char *szLua_code =
        "c1 = NewCount() "
        "c2 = NewCount() "
        "for i=1,5 do print(c1()) end "
        "for i=1,5 do print(c2()) end";

    lua_State *L = luaL_newstate();
    luaL_openlibs(L);

    //放入C函数
    lua_register(L,"NewCount",newCount);

    //执行
    bool err = luaL_loadstring(L, szLua_code) || lua_pcall(L, 0, 0, 0);
    if(err)
    {
        cerr << lua_tostring(L, -1);
        lua_pop(L, 1);
    }

    lua_close(L);
    return 0;
}

    执行结果是：

    1
    2
    3
    4
    5
    1
    2
    3
    4
    5

    可以发现这两个计算器之间没有干扰，我们成功地在Lua中生成了两个“计数器类”。
    这里的关键函数是lua_pushcclosure，她的第二个参数是一个基本函数（例子中是count），第三个参数是UpValue的个数（例子中为 1）。在创建新的闭包之前，我们必须将关联数据的初始值入栈，在上面的例子中，我们将数字0作为初始值入栈。如预期的一样， lua_pushcclosure将新的闭包放到栈内，因此闭包作为newCounter的结果被返回。
    实际上，我们之前使用的lua_pushcfunction只是lua_pushcclosure的一个特例：没有UpValue的闭包。查看它的声明可 以知道它只是一个宏而已：
        #define lua_pushcfunction(L,f)    lua_pushcclosure(L, (f), 0)
    在count函数中，通过lua_upvalueindex(i)得到当前闭包的UpValue所在的索引位置，查看它的定义可以发现它只是一个简单的 宏：
        #define lua_upvalueindex(i)    (LUA_GLOBALSINDEX-(i))
    宏里的LUA_GLOBALSINDEX是一个伪索引，关于伪索引的知识请看下节

伪索引

    伪索引除了它对应的值不在栈中之外，其他都类似于栈中的索引。Lua C API中大部分接受索引作为参数的函数，也都可以接受假索引作为参数。
    伪索引被用来访问线程的环境，函数的环境，Lua注册表，还有C函数的UpValue。

• 线程的环境（也就是放全局变量的地方）通常在伪索引 LUA_GLOBALSINDEX 处。
• 正在运行的 C 函数的环境则放在伪索引 LUA_ENVIRONINDEX 之处。
• LUA_REGISTRYINDEX则存放着Lua注册表。
• C函数UpValue的存放位置见上节。

    这里要重点讲的是LUA_GLOBALSINDEX和LUA_REGISTRYINDEX，这两个伪索引处的数据是table类型的。
    LUA_GLOBALSINDEX位置上的table存放着所有的全局变量，比如这句
    lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, varname);
    就是取得名为varname的全局变量，我们之前一直使用的lua_getglobal就是这样定义的:#define lua_getglobal(L,s)    lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, (s))
    下面的代码利用LUA_GLOBALSINDEX得到所有的全局变量

int main()
{
    char *szLua_code =
        "a=10 "
        "b=\"hello\" "
        "c=true";

    lua_State *L = luaL_newstate();
    luaL_openlibs(L);

    //执行
    bool err = luaL_loadstring(L, szLua_code) || lua_pcall(L, 0, 0, 0);
    if(err)
    {
        cerr << lua_tostring(L, -1);
        lua_pop(L, 1);
    }
    else
    {
        //遍历LUA_GLOBALSINDEX所在的table得到
        lua_pushnil(L);
        while(0 != lua_next(L,LUA_GLOBALSINDEX))
        {
            // 'key' （在索引 -2 处） 和 'value' （在索引 -1 处）
            /*
            在遍历一张表的时候，不要直接对 key 调用 lua_tolstring ，
            除非你知道这个 key 一定是一个字符串。
            调用 lua_tolstring 有可能改变给定索引位置的值；
            这会对下一次调用 lua_next 造成影响。
            所以复制一个key到栈顶先
            */
            lua_pushvalue(L, -2);
            printf("%s - %s ",
                  lua_tostring(L, -1),    //key,刚才复制的
                  lua_typename(L, lua_type(L,-2))); //value，现在排在-2的位置了
            // 移除 'value' 和复制的key；保留源 'key' 做下一次叠代
            lua_pop(L, 2);
        }
    }
    lua_close(L);
    return 0;
}

    LUA_REGISTRYINDEX伪索引处也存放着一个table，它就是Lua注册表(registry)。这个注册表可以用来保存任何C代码想保存 的Lua值。
    加入到注册表里的数据相当于全局变量，不过只有C代码可以存取而Lua代码不能。因此用它来存储函数库（在下一节介绍）中的一些公共变量再好不过了。