Lua连续教程之编写C函数的技巧

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2023-03-10
Lua连续教程之Lua线程和状态
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Lua中的“数组”就是特殊方式使用的表。像lua-settable和lua-gettable这种用来操作表的通用函数，也可用于操作数组。不过，CAPI为使用整数索引的表的访问和封信提供了专门的函数。

void lua_geti (lua_State *L, int index, int key);
void lua_seti (lua_State *L, int index, int key);

Lua5.3之前的版本只提供了这些函数的原始版本，即lua_rawgeti和lua_rawseti。这两个函数类似于lua_geti和lua_seti，但进行的是原始访问。当区别并不明显时，那么原始版本可能会稍微快一点。 lua_geti和lua_seti的描述有一点令人困惑，因为其用了两个索引：index表示在栈中的位置，key表示元素在表中的位置。当t为正数时，那么调用lua_geti(L,t,key)等价于如下的代码：

lua_pushnumber(L,key);
lua_gettable(L,t);

调用lua_seti(L,t,key)等价于如下的代码：

lua_pushnumber(L,key);
lua_insert(L,-2);
lua_settable(L,t);

作为使用这些函数的具体示例，下面实现了函数map，该函数对数组中的所有元素调用一个指定的函数，然后用词函数返回的结果替换掉对应的数组元素。

C语言中的函数map
int l_map(lua_State *L){
	int i , n;
	/*第一个参数必须是一张表(t) */
	luaL_checktype(L,1,LUA_TTABLE);
	/*第二个参数必须是一个函数(f) */
	luaL_checktype(L,2,LUA_TFUNCTION);
	n = luaL_len(L,1);/*获取表的大小*/
	for (i = 1;i <=n; i++){
		lua_pushvalue(L,2); /*压入f*/
		lua_geti(L,1,i); /*压入t[i]*/
		lua_call(L,1,1); /*调用f(t[i])*/
		lua_seti(L,1,i); /*t[i] = result */
	}
	return 0; /* 没有返回值*/
}
这个示例还引入了三个新函数：luaL_checktype、luaL_len和lua_call。 函数luaL_checktype确保指定的参数具有指定的类型，否则它会引发一个错误。 原始的lua_len类似于长度运算符。由于元方法的存在，该运算符能够返回任意类型的对象，而不仅仅是数字；因此，lua_len会在栈中返回其结果。函数luaL_len会将长度作为整型数返回，如果无法进行强制类型转换则会引发错误。 函数lua_call做的是不受保护的调用，该函数类似于lua_pcall，但在发生错误时lua_call会传播错误而不是返回错误码。在一个应用中编写主函数时，不应使用lua_call，因为我们需要捕获所有的错误。不过，编写一个函数时，一般情况下使用lua_call是个不错的注意；如果发生错误，就留给关心错误的人去处理吧。

字符串操作

当C函数接收到一个Lua字符串为参数时，必须遵守两条规则：在使用字符串期间不能从栈中将其弹出，而且不应该修改字符串。 当C函数需要创建一个返回给Lua的字符串时，要求则更高。此时，是C语言代码负责缓冲区的分配/释放、缓冲区溢出，以及其他对C语言来说比较困难的任务。因此，LuaAPI提供了一些函数来帮助完成这些任务。 标准API为两种常用的字符串操作提供了支持，即子串提取和字符串连接。要提取子串，那么基本的操作lua_pushlstring可以获取字符串长度作为额外的参数。因此，如果要把字符串s从i到j（包含）的子串传递给Lua，就必须：

lua_pushlstring(L,s+i,j-i+1);

举个例子，假设需要编写一个函数，该函数根据指定的分隔符来分隔字符串，并返回一张包含子串的表。例如，调用split(“hi:ho:there”,”:”)应该返回表{“hi”,”ho”,”there”}。下面示例演示了该函数的一种简单实现：

分隔字符串
static int l_split(lua_State *L){
	const char *s = luaL_checkstring(L,1);
	const char *sep = luaL_checkstring(L,2);
	const char *e;
	int i = 1;
	lua_newtable(L); /*结果表*/
	/* 依次处理每个分隔符*/
	while ((e = strchr(s,*sep)) != NULL) {
		lua_pushlstring(L,s,e - s); /*压入子串*/
		lua_rawseti(L,-2,i++); /* 向表中插入*/
		s = e + 1; /*跳过分隔符*/
	}
	/* 插入最后一个子串*/
	lua_pushstring(L,s);
	lua_rawseti(L,-2,i);
	return 1;/*将结果表返回*/
}
该函数无须缓冲区，并能处理任意长度的字符串，Lua语言会负责处理所有的内存分配。 要连接字符串，Lua提供了一个名为lua_concat的特殊函数，该函数类似于Lua中的连接操作符(..)，它会将数字转换为字符串，并在必要时调用元方法。此外，该函数还能一次连接两个以上的字符串。调用lua_concat(L,n)会连接栈最顶端的n个值，并将结果压入栈。 另一个有帮助的函数是lua_pushfstring:
const char *lua_pushfstring(lua_State *L, const char *fmt, ...);

该函数在某种程度上类似于C函数sprintf，它们都会根据格式字符串和额外的参数来创建字符串。然而，与sprintf不同，使用lua_pushfstring时不需要提供缓冲区。不管字符串有多大，Lua都会动态地为我们创建。lua_pushfstring会将结果字符串压入栈中并返回一个指向它的指针，该函数能够接受如下所示字符。

%s 插入一个以\0结尾的字符串 %d 插入一个int %f 插入一个Lua语言的浮点数 %p 插入一个浮点数 %I 插入一个Lua语言的整型数 %c 插入一个以int表示的单字节字符 %U 插入一个以int表示的UTF-8字节序列 %% 插入一个百分号

该函数不能使用诸如宽度或者精度之类的修饰符。 当只需要连接几个字符串时，lua_concat和lua_pushfstring都很有用。不过，如果需要连接很多字符串，此时，我们可以用由辅助库提供的缓冲机制。 缓冲机制的简单用法只包含两个函数：一个用于在组装字符串时提供任意大小的缓冲区；另一个用于将缓冲区中的内容转换为一个Lua字符串。下面示例用源文件lstrlib.c中string.upper的实现演示了这些函数。

函数string.upper
static int str_upper (lua_State *L){
	size_t l;
	size_t i;
	luaL_Buffer b;
	const char *s = luaL_checklstring(L,1,&1);
	char *p = luaL_buffinitsize(L,&b,l);
	for (i = 0; i< l; i++)
		p[i] = toupper(uchar(s[i]));
	luaL_pushresultsize(&b,l);
	return 1;
}
使用辅助库中缓冲区的第一步是声明一个luaL_Buffer类型的变量。第二步是调用luaL_buffinitsize获取一个指向指定大小缓冲区的指针，之后就可以自由地使用该缓冲区来创建字符串了。最后需要调用luaL_pushresultsize将缓冲区中的内容转换为一个新的Lua字符串，并将该字符串压栈。其中，第二步调用时就确定了字符串的最终长度。通常情况下，像我们的示例一样，字符串的最终大小与缓冲区大小相等，但也可能更小。加入我们并不知道返回字符串的准确长度，但知道其最大不超过多少，那么可以操守地为其分配一个较大的空间。 请注意，luaL_pushresultsize并未获取Lua状态作为其第一个参数。在初始化之后，缓冲区保存了对Lua状态的引用，因此在调用其他操作缓冲区的函数时无需再传递该状态。 加入不知道返回结果大小的上限值，我们还可以通过逐步增加内容的方式来使用辅助库的缓冲区。辅助库提供了一个用于缓冲区中增加内容的函数：luaL_addvalue用于在栈顶增加一个Lua字符串，luaL_addlstring用于增加一个长度明确的字符串，luaL_addstring用于增加一个以\0结尾的字符串，luaL_addchar用于增加一单个字符。这些函数的原型如下：
void luaL_buffinit   (lua_State *L, luaL_Buffer *B);
void luaL_addvalue   (luaL_Buffer *B);
void lua_addlstring  (luaL_Buffer *B, const char *s, size_t l);
void lua_addstring   (luaL_Buffer *B, const char *s);
void luaL_addchar    (luaL_Buffer *B, char c);
void luaL_pushresult (luaL_Buffer *B);
下面示例通过函数table.concat的一个简化的实现演示了这些函数的使用。 示例 函数table.concat的一个简化的实现
static int tconcat (lua_State *L){
	luaL_Buffer b;
	int i , n;
	luaL_checktype(L,1,LUA_TTABLE);
	n = luaL_len(L,1);
	luaL_buffinit(L,&b);
	for (i = 1;i<=n;i++){
		lua_geti(L,1,i);
		luaL_addvalue(b);
	}
	luaL_pushresult(&b);
	return 1;
}
在该函数中，首先调用luaL_buffinti来初始化缓冲区。然后，向缓冲区中逐个增加元素，本例中用的是luaL_addvalue。最后，luaL_pushresult刷新缓冲区并在栈顶留下最终的结果字符串。 在使用辅助库的缓冲区时，我们必须注意一个细节。初始化一个缓冲区后，Lua栈可能还会保留某些内部数据。因此，我们不能假设在使用缓冲区之前栈顶仍然停留在最初的位置。此外，尽管使用缓冲区时我们可以将该栈用于其他用途，但在访问栈之前，对栈的压入和弹出次数必须平衡。唯一的例外是luaL_addvalue，该函数会假设要添加到缓冲区的字符串是位于栈顶的。

在C函数中保存状态

通常情况下，C函数需要保存一些非局部数据，即生存时间超出C函数执行时间的数据。在C语言中，我们通常使用全局变量或静态变量来满足这种需求。然而，当我们为Lua编写库函数时，这并不是一个好办法。首先，我们无法在一个C语言变量中保存普通的Lua值。其次，使用这类变量的库无法用于多个Lua状态。 更好的办法是从Lua语言中寻求帮助。Lua函数有两个地方可用于存储非局部数据，即全局变量和非局部变量，而CAPI也提供了两个类似的地方来存储非局部数据，即注册表和上值。

注册表

注册表是一张只能被C代码访问的全局表。通常情况下，我们使用注册表来存储多个模块间共享的数据。 注册表总是位于伪索引LUA_REGISTRYINDEX中。伪索引就像是一个栈中的索引，但它所关联的值不在栈中。LuaAPI中大多数接受索引作为参数的函数也能将伪索引作为参数，像lua_remove和lua_insert这种操作栈本身的函数除外。例如，要获取注册表中键为”key”的值，可以使用如下的调用：

lua_getfield(L,LUA_REGISTRYINDEX,"Key");

注册表是一个普通的Lua表，因此可以使用除nil外的任意Lua值来检索它。不过，由于所有的C语言模块共享的是同一个注册表，为了避免冲突，我们必须谨慎地选择作为键的值。当允许其他独立的库访问我们的数据时，字符串类型的键尤为有用，因为这些库只需知道键的名字就可以了。对于浙西键，选择名字时没有一种可以绝对避免冲突的方法；不过，诸如避免使用常见的名字，以及用库名或类似的东西作为键名的前缀，仍然是好的做法。

在注册表中不能使用数值类型的键，因为Lua语言将其用作引用系统的保留字。引用系统由辅助库中的一对函数组成，有了这两个函数，我们在表中存储值时不必担心如何创建唯一的键。函数luaL_ref用于创建新的引用：

int ref = luaL_ref(L,LUA_REGISTRYINDEX);

上述调用会从栈中弹出一个值，然后分配一个新的整型的键，使用这个键将从栈中弹出的值保存到注册表中，最后返回该整型键，而这个键就被称为引用。

顾名思义，我们主要是在需要一个C语言结构体中保存一个指向Lua值的引用时使用引用。正如我们之前所看到的，不应该将指向Lua字符串的指针保存在获取该指针的函数之外。此外，Lua语言甚至没有提供指向其他对象的指针。因此，我们无法通过指针来引用Lua对象。当需要这种指针时，我们可以创建一个引用并将其保存在C语言中。

要将于引用ref关联的值压入栈中，只要这样写就行：

lua_rawgeti(L,LUA_REGISTRYINDEX,ref);

最后，要释放值和引用，我们可以调用luaL_unref:

luaL_unref(L,LUA_REGISTRYINDEX,ref);

在这句调用后，再次调用luaL_ref会再次返回相同的引用。

引用系统将nil视为一种特殊情况。无论何时为一个nil值调用luaL_ref都不会创建新的引用，而是会返回一个常量引用LUA_REFNIL。如下的调用没什么好处：

luaL_unref(L,LUA_REGISTRYINDEX,LUA_REFNIL);

而如下的代码则会像我们期望地一样像栈中压入一个nil：

lua_rawgeti(L,LUA_REGISTRYINDEX,LUA_REFNIL);

引用系统还定义了一个常量LUA_NOREF，这是一个不同于其他合法引用的整数，它可以用于表示无效的引用。

当创建Lua状态时，注册表中有两个预定义的引用：

LUA_RIDX_MAINTHREAD

指向Lua状态本身，也就是其主线程。

LUA_RIDX_GLOBALS

指向全局变量。

另一种在注册表中创建唯一键的方法是，使用代码中静态变量的地址，C语言的链接编辑器会确保键在所有已加载的库中的唯一性。要使用这种方法，需要用到函数lua_pushlightuserdata，该函数会在栈中压入一个表示C语言指针的值。下面的代码演示了如何使用这种方法在注册表中保存和获取字符串：

/*具有唯一地址的变量*/
static char Key = 'k';
/* 保存字符串*/
lua_pushlightuserdata(L,(void *)&Key); /* 压入地址*/
lua_pushstring(L,myStr); /*压入值*/
lua_settable(L,LUA_REGISTRYINDEX); /* registry[&Key] = myStr */

/* 获取字符串*/
lua_pushlightuserdata(L,(void *)&Key); /* 压入地址*/
lua_gettbale(L,LUA_REGISTRYINDEX); /* 获取值 */
myStr = lua_tostring(L,-1); /*转换为字符串*/

为了简化将变量地址用作唯一键的方法，Lua5.2中引入了两个新函数：lua_rawgetp和lua_rawsetp。这两个函数类似于lua_rawgeti和lua_rawseti，但它们使用C语言指针作为键。使用这两个函数，可以将上面的代码重写为：

static char Key = 'k';
/* 保存字符串 */
lua_pushstring(L,myStr);
lua_rawsetp(L,LUA_REGISTRYINDEX,(void *)&Key);

/*获取字符串*/
lua_rawgetp(L,LUA_REGISTRYINDEX,(void *)&Key);
myStr = lua_toshtring(L,-1);

这两个函数都使用了原始访问。由于注册表没有元素，因此原始访问和普通访问相同，而且效率还会稍微高一些。

上值

注册表提供了全局变量，而上值则实现了一种类似于C语言静态变量的机制。每一次在Lua中创建新的C函数时，都可以将任意数量的上值与这个函数相关联，而每个上值都可以保存一个Lua值。后面在调用该函数时，可以通过伪索引来自由地访问这些上值。 我们将这种C函数与其上值的关联称为闭包。C语言闭包类似于Lua语言闭包。 特别的，可以用相同的函数代码来创建不同的闭包，每个闭包可以拥有不同的上值。 接下来看一个简单的示例，让我们用C语言创建一个函数newCounter。该函数是一个工厂函数，每次调用都会返回一个新的计数函数，如下所示：

c1 = newCounter()
print(c1(),c1(),c1())			-- 1	2	3
c2 = newCounter()
print(c2(),c2(),c2())			-- 1	2	4

尽管所有的计数器都适用相同的C语言代码，但它们各自都保留了独立的计数器。工厂函数的代码形如：

static int counter (lua_State *L);  /*前向声明*/
int newCounter (lua_State *L){
	lua_pushinteger(L,0);
	lua_pushcclosure(L,&counter,1);
	return 1;
}

这里的关键函数是lua_pushcclosure，该函数会创建一个新的闭包。lua_pushcclosure的第二个参数是一个基础函数，第三个参数是上值的数量。在创建一个新的闭包前，我们必须将上值的初始值压栈。在此示例中，我们压入了零作为唯一一个上值的初始值。正如我们预想的那样，lua_pushcclosure会将一个新的闭包留在栈中，并将其作为newCounter的返回值。

现在，来看一下counter的定义：

static int counter (lua_State *L){
	int val = lua_tointeger(L, lua_upvalueindex(1));
	lua_pushinteger(L,++val);/*新值*/
	lua_copy(L,-1,lua_upvalueindex(1)); /*更新上值*/
	return 1; /*返回新值*/
}

这里的关键是宏lua_upvalueindex,它可以生成上值的伪索引。特别的，表达式lua_upvalueindex(1)给出了正在运行的函数的第一个上值的伪索引，该为索引同其他的栈索引一样，唯一区别的是它不存在与栈中。因此，调用lua_tointeger会以整型返回一个上值的当前值。然后，函数counter将新值++val压栈，并将其复制一份作为新上值的值，再将其返回。

接下来是一个更高级的示例，我们将使用上值来实现元组。元组是一种具有匿名字段的常量结构，我们可以用一个数值索引来获取某个特定的字段，或者一次性地获取所有字段。在我们的实现中，将元组表示为函数，元组的值存储在函数的上值中。当使用数值参数来调用该函数时，函数会返回特定的字段。当不使用参数来调用该函数时，则返回所有字段。一下代码演示了元组的使用：

x = tuple.new(10,"hi",{},3)
print(x(1))			-- 10
print(x(2))			-- hi
print(x(3))			-- 10 hi table:ox8087878 3

在C语言中，我们会用同一个函数t_tuple来表示所有的元组，代码参考下示例。

元组的实现
#include "luaxlib.h"

int t_tuple(lua_State *L){
	lua_Integer op = luaL_optinteger(L,1,0);
	if (op == 0){
		int i;
		for (i = 1; !lua_isnone(L,lua_upvalueindex(i)); i++)
			lua_pushvalue(L,lua_upvalueindex(i));
		return i - 1;
	}
	else {
		luaL_argcheck(L,0<op && op <= 256,1,"index out of range");
		if (lua_isnone(L,lua_upvalueindex(op)))
			return 0;
		lua_pushvalue(L,lua_upvalueindex(op));
		return 1;
	}
}

int t_new(lua_State *L){
	int top = lua_gettop(L);
	luaL_argcheck(L, top< 256, top ,"too many fields");
	lua_pushcclosure(L,t_tuple,top);
	return 1;
}

static const struct luaL_Reg tuplelib[] = {
	{"new",t_new},
	{NULL,NULL}
};

int luaopen_tuple (lua_State *L){
	luaL_newlib(L,tuplelib);
	return 1;
}
由于调用元组时既可以使用数字作为参数也可以不用数字作为参数，因此t_tuple使用luaL_optinteger来获取可选参数。该函数类似于luaL_checkinteger,但当参数不存在时不会报错，而是返回指定的默认值。 C语言函数中最多可以有255个上值，而lua_upvaluindex的最大索引值是256。因此，我们使用luaL_argcheck来确保这些范围的有效性。 当访问一个不存在的上值时，结果是一个类型为LUA_TNONE的伪值。函数t_tuple使用lua_isnone测试指定的上值是否存在。不过，我们永远不应该使用负数或者超过256的索引值来调用lua_upvalueindex，因此必须对用户提供索引进行检查。函数luaL_argcheck可用于检查给定的条件，如果条件不符合，则会引发错误并返回一条友好的错误信息：
> t = tuple.new(2,4,5)
> t(300)
--> stdin:1:bad argument #1 to 't' (index out of range)
luaL_argcheck的第三个参数表示错误信息的参数编号，第四个参数表示对信息的不出。 创建元组的函数t_new很简单，由于其参数已经在栈中，因此该函数先检查字段的数量是否符合闭包中上值个数的限制，然后将所有上值作为参数调用lua_pushcclosure来创建一个t_tuple的闭包。最后，数组tuplelib和函数luaopen_tuple是创建tuple库的标准代码，该库只有一个函数new。

共享的上值

我们经常需要同一个库的所有函数之间共享某些值或变量，虽然可以用注册表来完成这个任务，但也可以使用上值。 与Lua语言的闭包不同，C语言的闭包不能共享上值，每个闭包都有其独立的上值。但是，我们可以设置不同函数的上值指向一张共同的表，这张表就成为了一个共同的环境，函数在其中能够共享数据。 Lua语言提供了一个函数，该函数可以简化同一个库中所有函数间共享上值的任务。我们已经使用luaL_newlib打开了C语言库。Lua将这个函数实现为如下的宏：

#define luaL_newlib(L,lib) \ (luaL_newlibtable(L,lib),(luaL_setfuncs(L,lib,0))

宏luaL_newlibtable只是为库创建了一张新表。然后，函数luaL_setfuncs将列表lib中的函数添加到位于栈顶的新表中。

我们这里感兴趣的是luaL_setfuncs的第三个参数，这个参数给出了库中的新函数共享的上值个数。当调用lua_pushcclosure时，这些上值的初始值应该位于栈顶。因此，如果要创建一个库，这个库中的所有函数共享一张表作为它们唯一的上值，则可以使用如下的代码：

/* 创建库的表*/
luaL_newlibtable(L,lib);
/* 创建共享上值 */
lua_newtable(L);
/*将表'lib'中的函数加入到新库中，将之前的表共享为上值*/
luaL_setfuncs(L,lib,1);

最后一个函数调用从栈中删除了这张共享表，只留下了新库。

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