把C++类成员函数集成到lua

有时我们会把C++类导入到lua，这样方便在lua里面对C++类进行操作，这在游戏编程里面经常使用，本文只是简单介绍一种实现。

1. lua里面面向对象的实现

在lua里面，我们可以这样操作表，如下：

Account = {balance = 0}

function Account:withdraw (v)

self.balance = self.balance - v

end

在这里，我们定义了一个table并且有一个withdraw的函数，我们可以这样使用

a = Account

a:withdraw(100)

这样就跟C++的类形式一样了。但是在lua里面没有类的概念，但是每个对象都有一个prototype（原型），当调用不属于对象的某些操作时，会最先会到prototype中查找这些操作。所以如果我们又两个对象a和b，如果我们把b作为a的prototype，我们就实现了最基本的继承。在lua中只需如下实现

setmetatable(a, {__index = b})

这样a调用任何不存在的成员都会到对象b里面去查找。在这里我们使用了__index metamethod，至于什么是metatable和metamethod lua相关文档有详细说明。（另外特别推荐programming in lua这本书，里面几乎全部介绍了这些知识）

2. C++类在lua中的表现形式

在lua中，我们假设C++类的操作形式如下，假设有一个类A

obj = A:new()

obj:dosomething()

obj:delete()

这里我们没考虑成员变量的操作，因为对于我们来说只是对成员函数进行操作，而且考虑到封装原则不建议对类成员变量进行直接操作，如果要操作我们会在类里面定义相关的成员函数。

3. 设计思想

参考上面的表现形式，我们会把A设定成一个metatable，然后把相关函数与它关联， 也就是把new等函数通过lua_pushfunction使其作为改metatable的函数。而对于obj来说，他是一个A的实例，我们会把它的指针传给lua供lua使用，而这个指针值在lua里面就是用userdata来表示。由于只涉及到函数的操作，所以我们会把metatable的__index与相关处理函数进行关联。

另外，假设A继承于类B，而obj为A的实例，那么obj的metatable为A的metatable，而A的metatable的metatable为B的metatable，这样就保证了继承性。我们通过obj调用函数，obj首先会在A里面查找，如果A里面没有，A会在B里面进行查找。

基于上面的思路，我们首先定义函数：

int reg_type(lua_State *L, const char *name)；

这个函数把我们类注册进lua中，即是把我们的类当成一个metatable，代码如下：

//registry type to lua

int reg_type(lua_State *L, const char *name)

{

//创建metatable，如果成功返回1，失败返回0

int r = luaL_newmetatable(L, name);

if(r)

{

//把该metatable注册为全局的

lua_pushstring(L, name);

lua_pushvalue(L, 1);

lua_settable(L, LUA_GLOBALSINDEX);

}

if(r)

{

classevent(L);

}

lua_pop(L, 1);

return r;

}

对于classevent()，我们实现如下：

void classevent(lua_State *L)

{

lua_pushstring(L,"__index");

lua_pushcfunction(L,class_index_event);

lua_rawset(L,-3);

}

这里就是关联metatable的__index域，我们所有的操作都会转换到函数class_index_event进行。

int class_index_event(lua_State *L)

{

int t = lua_type(L,1);

if (t == LUA_TUSERDATA)

{

//这里我们只考虑了函数类型，所以简单起见没有进行很多其他的处理

//我们会得到metatable，然后找到该metatable对应的函数，进行调用

lua_getmetatable(L, 1);

lua_pushvalue(L, 2);

lua_rawget(L, -2);

if(!lua_isnil(L, -1))

{

return 1;

}

}

return 1;

}

同时我们提供了设定继承关系的函数

int reg_class(lua_State *L, const char *name, const char *base)

{

luaL_getmetatable(L, name); //stack: mt

//如果有基类，我们就把基类作为该类metatable的metatable

if(base && *base)

{

luaL_getmetatable(L, base); //stack: mt basemt

lua_setmetatable(L, -2); //stack: mt

}

lua_pop(L, 1);

return 0;

}

注册函数的函数，使函数与特定的metatable关联：

int reg_function(lua_State* L, const char * type, const char* name, lua_CFunction func)

{

luaL_getmetatable(L, type);

lua_pushstring(L, name);

lua_pushcfunction(L, func);

lua_rawset(L, -3);

lua_pop(L, 1);

return 0;

}

注册userdata的函数，在这里我们必须明确，对于我们自定义的类型的实例，比如obj，我们是通过指针传递给lua的，这其实是一个light userdata，而在lua里面，light userdata不具有meta机 制，但是我们又要设定该类型的meta为类A的meta，这样我们就要实现一下包装，我们把这个obj首先赋值给一个full userdata，在lua里面full userdata具有meta属性，然后存贮在一个注册table里面，这样其实我们返回的不是这个obj的指针了，而是包装了这个obj的一个full userdata指针。在lua5.0里面定义了lua_unboxpointer和lua_boxpointer宏，但不知怎么5.1里面没有了，这两个宏如下：

#define lua_boxpointer(L,u) /

(*(void **)(lua_newuserdata(L, sizeof(void *))) = (u))

#define lua_unboxpointer(L,i) (*(void **)(lua_touserdata(L, i)))

当我们需要取出obj指针时候，我们通过(*(void **)转换得到。

int reg_userdata(lua_State* L, void* value, const char* type)

{

luaL_getmetatable(L, type);

lua_pushstring(L, "script_ubox");

lua_rawget(L, LUA_REGISTRYINDEX);

lua_pushlightuserdata(L,value);

lua_rawget(L,-2); /* stack: mt ubox ubox[u] */

if (lua_isnil(L,-1))

{

lua_pop(L,1); /* stack: mt ubox */

lua_pushlightuserdata(L,value);

*(void**)lua_newuserdata(L,sizeof(void *)) = value; /* stack: mt ubox u newud */

lua_pushvalue(L,-1); /* stack: mt ubox u newud newud */

lua_insert(L,-4); /* stack: mt newud ubox u newud */

lua_rawset(L,-3); /* stack: mt newud ubox */

lua_pop(L,1); /* stack: mt newud */

lua_pushvalue(L, -2); /* stack: mt newud mt */

lua_setmetatable(L,-2); /* stack: mt newud */

}

lua_remove(L, -2);

return 1;

}

然后我们定义：

这个函数只是注册一个table供我们操作。

int script_open(lua_State *L)

{

lua_pushstring(L,"script_ubox");

lua_newtable(L);

lua_rawset(L,LUA_REGISTRYINDEX);

return 0;

}

接下来就是我们的实现：

首先定义类以及类成员函数对应的注册函数：

class test

{

public:

test(){}

~test(){}

void myprint() { printf("test::Hello World/n"); }

};

int test_new(lua_State *L)

{

test *t = new test();

reg_userdata(L, (void*)t, "test");

return 1;

}

int test_delete(lua_State *L)

{

test *t = (test*)(*(void**)lua_touserdata(L, 1));

delete t;

lua_settop(L, 0);

return 0;

}

int test_myprint(lua_State *L)

{

test *t = (test*)(*(void**)lua_touserdata(L, 1));

t->myprint();

return 0;

}

然后实现：

script_open(L);

reg_type(L, "test");

reg_class(L, "test", NULL);

reg_function(L, "test", "new", test_new);

reg_function(L, "test", "delete", test_delete);

reg_function(L, "test", "myprint", test_myprint);

这样在lua里面，我们就可以这样调用了：

obj = test:new()

obj:myprint()

obj:delete()

注意，这只是一个非常简单的实现，有很多缺陷

首先，它把类直接注册进GLOBALSINDEX，这样可能会导致命名冲突，其次每个类的成员函数都要单独对应一个注册函数，这样工作量很大，虽然我以前写过关于通过一个代理方法将不同的C类型与类成员函数注册进lua的方法，但是该方法对现在这种实现并不怎么适用。再就是这个例子很多方面没有考虑完全，只是单纯的把成员函数导入，功能很有限。看以后能不能写出一套更好的绑定类的东西吧。