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Lua 元表(Metatable)

Lua 元表(Metatable)

在 Lua table 中我們可以訪問對應的key來得到value值，但是卻無法對兩個 table 進行操作。

因此 Lua 提供了元表(Metatable)，允許我們改變table的行為，每個行為關聯了對應的元方法。

例如，使用元表我們可以定義Lua如何計算兩個table的相加操作a+b。

當Lua試圖對兩個表進行相加時，先檢查兩者之一是否有元表，之後檢查是否有一個叫"__add"的字段，若找到，則調用對應的值。"__add"等即時字段，其對應的值（往往是一個函數或是table）就是"元方法"。

有兩個很重要的函數來處理元表：

  • setmetatable(table,metatable): 對指定table設置元表(metatable)，如果元表(metatable)中存在__metatable鍵值，setmetatable會失敗 。
  • getmetatable(table): 返回對象的元表(metatable)。

以下實例演示了如何對指定的表設置元表：

mytable = {}                          -- 普通表 
mymetatable = {}                      -- 元表
setmetatable(mytable,mymetatable)     -- 把 mymetatable 設為 mytable 的元表

以上代碼也可以直接寫成一行：

mytable = setmetatable({},{})

以下為返回對象元表：

getmetatable(mytable)                 -- 這回返回mymetatable

__index 元方法

這是 metatable 最常用的鍵。

當你通過鍵來訪問 table 的時候，如果這個鍵沒有值，那么Lua就會尋找該table的metatable（假定有metatable）中的__index 鍵。如果__index包含一個表格，Lua會在表格中查找相應的鍵。

我們可以在使用 lua 命令進入交互模式查看：

$ lua
Lua 5.3.0  Copyright (C) 1994-2015 Lua.org, PUC-Rio
> other = { foo = 3 } 
> t = setmetatable({}, { __index = other }) 
> t.foo
3
> t.bar
nil

如果__index包含一個函數的話，Lua就會調用那個函數，table和鍵會作為參數傳遞給函數。

__index 元方法查看表中元素是否存在，如果不存在，返回結果為 nil；如果存在則由 __index 返回結果。

mytable = setmetatable({key1 = "value1"}, {
  __index = function(mytable, key)
    if key == "key2" then
      return "metatablevalue"
    else
      return nil
    end
  end
})
print(mytable.key1,mytable.key2)

實例輸出結果為：

value1    metatablevalue

實例解析：

  • mytable 表賦值為 {key1 = "value1"}。

  • mytable 設置了元表，元方法為 __index。

  • 在mytable表中查找 key1，如果找到，返回該元素，找不到則繼續。

  • 在mytable表中查找 key2，如果找到，返回 metatablevalue，找不到則繼續。

  • 判斷元表有沒有__index方法，如果__index方法是一個函數，則調用該函數。

  • 元方法中查看是否傳入 "key2" 鍵的參數（mytable.key2已設置），如果傳入 "key2" 參數返回 "metatablevalue"，否則返回 mytable 對應的鍵值。

我們可以將以上代碼簡單寫成：

mytable = setmetatable({key1 = "value1"}, { __index = { key2 = "metatablevalue" } })
print(mytable.key1,mytable.key2)

總結

Lua查找一個表元素時的規則，其實就是如下3個步驟:

  • 1.在表中查找，如果找到，返回該元素，找不到則繼續
  • 2.判斷該表是否有元表，如果沒有元表，返回nil，有元表則繼續。
  • 3.判斷元表有沒有__index方法，如果__index方法為nil，則返回nil；如果__index方法是一個表，則重復1、2、3；如果__index方法是一個函數，則返回該函數的返回值。

__newindex 元方法

__newindex 元方法用來對表更新，__index則用來對表訪問 。

當你給表的一個缺少的索引賦值，解釋器就會查找__newindex 元方法：如果存在則調用這個函數而不進行賦值操作。

以下實例演示了 __newindex 元方法的應用：

mymetatable = {}
mytable = setmetatable({key1 = "value1"}, { __newindex = mymetatable })
print(mytable.key1)
mytable.newkey = "新值2"
print(mytable.newkey,mymetatable.newkey)
mytable.key1 = "新值1"
print(mytable.key1,mymetatable.key1)

以上實例執行輸出結果為：

value1
nil    新值2
新值1    nil

以上實例中表設置了元方法 __newindex，在對新索引鍵（newkey）賦值時（mytable.newkey = "新值2"），會調用元方法，而不進行賦值。而如果對已存在的索引鍵（key1），則會進行賦值，而不調用元方法 __newindex。

以下實例使用了 rawset 函數來更新表：

mytable = setmetatable({key1 = "value1"}, {
  __newindex = function(mytable, key, value)
        rawset(mytable, key, "\""..value.."\"")
  end
})
mytable.key1 = "new value"
mytable.key2 = 4
print(mytable.key1,mytable.key2)

以上實例執行輸出結果為：

new value    "4"

為表添加操作符

以下實例演示了兩表相加操作：

-- 計算表中最大值，table.maxn在Lua5.2以上版本中已無法使用
-- 自定義計算表中最大鍵值函數 table_maxn，即計算表的元素個數
function table_maxn(t)
    local mn = 0
    for k, v in pairs(t) do
        if mn < k then
            mn = k
        end
    end
    return mn
end
-- 兩表相加操作
mytable = setmetatable({ 1, 2, 3 }, {
  __add = function(mytable, newtable)
    for i = 1, table_maxn(newtable) do
      table.insert(mytable, table_maxn(mytable)+1,newtable[i])
    end
    return mytable
  end
})
secondtable = {4,5,6}
mytable = mytable + secondtable
    for k,v in ipairs(mytable) do
print(k,v)
end

以上實例執行輸出結果為：

1    1
2    2
3    3
4    4
5    5
6    6

__add 鍵包含在元表中，併進行相加操作。 表中對應的操作列表如下：(注意：__是兩個下劃線)

模式描述
__add對應的運算符 '+'.
__sub對應的運算符 '-'.
__mul對應的運算符 '*'.
__div對應的運算符 '/'.
__mod對應的運算符 '%'.
__unm對應的運算符 '-'.
__concat對應的運算符 '..'.
__eq對應的運算符 '=='.
__lt對應的運算符 '<'.
__le對應的運算符 '<='.

__call 元方法

__call 元方法在 Lua 調用一個值時調用。以下實例演示了計算表中元素的和：

-- 計算表中最大值，table.maxn在Lua5.2以上版本中已無法使用
-- 自定義計算表中最大鍵值函數 table_maxn，即計算表的元素個數
function table_maxn(t)
    local mn = 0
    for k, v in pairs(t) do
        if mn < k then
            mn = k
        end
    end
    return mn
end
-- 定義元方法__call
mytable = setmetatable({10}, {
  __call = function(mytable, newtable)
    sum = 0
    for i = 1, table_maxn(mytable) do
        sum = sum + mytable[i]
    end
    for i = 1, table_maxn(newtable) do
        sum = sum + newtable[i]
    end
    return sum
  end
})
newtable = {10,20,30}
print(mytable(newtable))

以上實例執行輸出結果為：

70

__tostring 元方法

__tostring 元方法用於修改表的輸出行為。以下實例我們自定義了表的輸出內容：

mytable = setmetatable({ 10, 20, 30 }, {
  __tostring = function(mytable)
    sum = 0
    for k, v in pairs(mytable) do
        sum = sum + v
    end
    return "表所有元素的和為 " .. sum
  end
})
print(mytable)

以上實例執行輸出結果為：

表所有元素的和為 60

從本文中我們可以知道元表可以很好的簡化我們的代碼功能，所以了解 Lua 的元表，可以讓我們寫出更加簡單優秀的 Lua 代碼。

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