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09-元表

在Lua语言中，元表（Metatable）定义拥有它的实例的行为。例如，平常无法计算两个表相加，可以通过定义元表内的元方法（Metafunction）字段__add告诉Lua如何计算这两个表的加法。Lua语言中的每一个值都可以有元表：对于表和用户数据（userdata）类型的值，可以拥有各自独立的元表；对于其他类型的值（如字符串）则共享类型所属的同一个元表。

获取&设置元表​

Lua语言在创建新表时不附带创建它所属的元表，可以通过getmetatable()函数查看该表所属的元表：

t = {}
print(getmetatable(t))      --> nil

可以使用函数setmetatable()来设置/修改任意表的元表：

tMeta = {}
setmetatable(t, tMeta)
print(getmetatable(t))      --> table: 0000000000dca930

在Lua语言中只能为表设置元表，如果要为其他类型的值设置元表，则必须通过C代码或调试库完成。

元方法​

算术运算相关​

每种算术运算符都有一个对应的元方法：加法__add，减法__sub，乘法__mul，除法__div，向下取整除法floor__idiv，取负数__unm，取模__mod和幂运算__pow。 在Lua5.3加入位运算后，位运算也有各自对应的元方法：按位与__band，按位或__bor，按位异或__bxor，按位取反__bnot，左移__shl和右移__shr。 此外，连接运算符..也有对应的元方法__concat。

下例为加法元方法__add在表加法计算中的应用：

local t = { value = 5 }
local t2 = { value = 10 }
local metaTable = {
    __add = function (t1, t2)
        return t1.value + t2.value
    end
}
setmetatable(t, metaTable)
-- setmetatable(t2, metaTable)

print(t + t2)           --> 15

对于给定统一元表的表的计算，使用哪个元表是确定的。但在上例中t2并没有被赋予元表也能正确计算，这就涉及到Lua查找相关元方法的逻辑了：

  1. 如果第一个值有元表，且元表中存在所需的元方法，那么Lua语言就使用这个元方法，与第二个值无关；
  2. 如果第二个值有元表，且元表中存在所需的元方法，那么Lua语言就使用这个元方法；
  3. 经过上述步骤仍然找不到所需的元方法，抛出异常；

关系运算相关​

只有3种关系运算符拥有对应的元方法：等于__eq，小于__lt和小于等于__le，其他三个关系运算符没有单独的元方法，Lua会根据已有的关系运算进行推断。 需要注意的是，如果两个对象的类型不同，那么相等比较操作不会调用任何元方法而是直接返回false。

表相关​

Lua语言也提供了一些修改表行为的元方法。

__index​

当访问表中不存在的字段时，Lua会先在元表中查找元方法__index，如果存在就根据元方法的逻辑返回结果，如果不存在就返回nil。虽然__index被称作元方法，但也能用表赋值：

local prototype = { x = 10, y = 0 }
local mt = {}
mt.__index = prototype
--[[ 可以用函数或表赋值
mt.__index = function (table, key)
    return prototype[key]
end
--]]

local function new(t)
    setmetatable(t, mt)
    return t
end

local w = new({})
print(w.x, w.y, w.z)        --> 10  0  nil

此外，可以通过rawget(table, index)函数在访问表时不调用__index元方法。

__newindex​

当对一个表中不存在的索引赋值时，Lua会先在元表中查找元方法__newindex，如果该元方法存在：

  • 作为函数存在：调用该函数，不执行赋值；
  • 作为表存在：在__newindex指向的表中进行赋值，而不是在原来的表中；

此外，可以通过rawset(table, key, value)函数在给表赋值时不调用__newindex元方法。

__call​

尝试将表作为函数调用时，Lua会优先检查元方法字段__call，如果此处被定义就会调用相应函数：

local t = { name = "Wow" }
local metaTable = {
    __call = function ()
        print("Calling t.")
    end
}
setmetatable(t, metaTable)

t()                         --> Calling t.

如果函数定义中有参数，需注意的是第一个参数为表本身。

库定义相关​

除了核心Lua语言，一些程序库也会在元表中定义和使用它们自己的字段。

__tostring​

对于表来说，print()函数会调用它的tostring()函数进行格式化输出。而tostring()函数首先会检查元方法字段__tostring是否被赋值，如果有的话就会将表对象作为参数传给该函数，最后将元方法的返回值作为它的返回值。

local t = { name = "Wow" }
local metaTable = {
    __tostring = function (s)
        return "Table's name: " .. s.name
    end
}

print(t)                        --> table: 00000000001da470
setmetatable(t, metaTable)
print(t)                        --> Table's name: Wow

__metatable​

为了保护对象的元表不被修改，就要阻止用户既不能通过getmetatable()看到元表，也不能通过setmetatable()修改元表。Lua语言给元表提供了__metatable字段，使用getmetatable()后会返回该字段的值，使用setmetatable()则会报错：

local t = {}
local metaTable = { __metatable = "从我家里出去!" }
setmetatable(t, metaTable)

print(getmetatable(t))          --> 从我家里出去!
setmetatable(t, {})             --> 报错：cannot change a protected metatable

__pairs​

从Lua5.2开始，函数pairs()也有了对应的元方法__pairs，因此可以修改表被遍历的方式以及为非表对象增加遍历行为。当一个对象拥有__pairs元方法时，pairs()函数会调用这个元方法完成遍历。

参考资料​