Lua 元表(Metatable)

在 Lua table 中，我们可以访问 key 得到对应的 value 值，但是却无法对两个 table 进行操作。

因此 Lua 提供了元表(Metatable)，允许我们改变 table 的行为，每个行为关联了对应的元方法。

例如，使用元表我们可以定义 Lua 如何计算两个 table 的相加操作 a+b。

当Lua试图对两个表进行相加时，先检查两者之一是否有元表，之后检查是否有一个叫"__add"的字段，若找到，则调用对应的值。"__add"等即时字段，其对应的值（往往是一个函数或是table）就是"元方法"。

1. 元表函数

有两个很重要的函数来处理元表：

• setmetatable(table,metatable) 对指定 table 设置元表(metatable)，如果元表(metatable)中存在 __metatable 键值，setmetatable 会失败。
• getmetatable(table): 返回对象的元表(metatable)。

以下范例演示了如何对指定的表设置元表：

-- 普通表
mytable = {}

-- 元表
mymetatable = {}

-- 把 mymetatable 设为 mytable 的元表
setmetatable(mytable,mymetatable)

以上代码也可以直接写成一行：

mytable = setmetatable({},{})

以下为返回对象元表：

-- 返回 mymetatable
getmetatable(mytable)

2. __index 元方法

这是 metatable 最常用的键。

当你通过键来访问 table 的时候，如果这个键没有值，那么Lua就会寻找该table的metatable（假定有metatable）中的__index 键。如果__index包含一个表格，Lua会在表格中查找相应的键。

我们可以在使用 lua 命令进入交互模式查看：

$ 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 包含一个函数的话，Lua 就会调用那个函数，table 和 键 会作为参数传递给函数。

__index 元方法查看表中元素是否存在，如果不存在，返回结果为 nil；如果存在则由 __index 返回结果。

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

范例输出结果为：

value1    metatablevalue

范例解析：

• mytable 表赋值为 {key1 = "value1"}。
• mytable 设置了元表，元方法为 __index。
• 在mytable表中查找 key1，如果找到，返回该元素，找不到则继续。
• 在mytable表中查找 key2，如果找到，返回 metatablevalue，找不到则继续。
• 判断元表有没有__index方法，如果__index方法是一个函数，则调用该函数。
• 元方法中查看是否传入 "key2" 键的参数（mytable.key2已设置），如果传入 "key2" 参数返回 "metatablevalue"，否则返回 mytable 对应的键值。

我们可以将以上代码简单写成：

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

Lua 查找一个表元素时的规则，其实就是如下 3 个步骤:

• 1.在表中查找，如果找到，返回该元素，找不到则继续
• 2.判断该表是否有元表，如果没有元表，返回 nil，有元表则继续。
• 3.判断元表有没有 __index 方法，如果 __index 方法为 nil，则返回 nil；如果 __index 方法是一个表，则重复 1、2、3；如果 __index 方法是一个函数，则返回该函数的返回值。

3. __newindex 元方法

__newindex 元方法用来对表更新，__index则用来对表访问 。

当你给表的一个缺少的索引赋值，解释器就会查找__newindex 元方法：如果存在则调用这个函数而不进行赋值操作。

以下范例演示了 __newindex 元方法的应用：

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)

以上范例执行输出结果为：

value1
nil    新值2
新值1    nil

以上范例中表设置了元方法 __newindex，在对新索引键（newkey）赋值时（mytable.newkey = "新值2"），会调用元方法，而不进行赋值。而如果对已存在的索引键（key1），则会进行赋值，而不调用元方法 __newindex。

以下范例使用了 rawset 函数来更新表：

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)

以上范例执行输出结果为：

new value    "4"

为表添加操作符

以下范例演示了两表相加操作：

-- 计算表中最大值，table.maxn在Lua5.2以上版本中已无法使用
-- 自定义计算表中最大键值函数 table_maxn，即计算表的元素个数
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

-- 两表相加操作
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

以上范例执行输出结果为：

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

__add 键包含在元表中，并进行相加操作。 表中对应的操作列表如下：(注意：__是两个下划线)

4. __call 元方法

__call 元方法在 Lua 调用一个值时调用。以下范例演示了计算表中元素的和：

-- 计算表中最大值，table.maxn在Lua5.2以上版本中已无法使用
-- 自定义计算表中最大键值函数 table_maxn，即计算表的元素个数
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

-- 定义元方法__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))

以上范例执行输出结果为：

70

__tostring 元方法

__tostring 元方法用于修改表的输出行为。以下范例我们自定义了表的输出内容：

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

以上范例执行输出结果为：

表所有元素的和为 60

元表可以很好的简化代码功能，所以正确地使用 Lua 的元表，可以写出更加简单的 Lua 代码。