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3. 函数与面向对象

变量声明与 C 语言的不同

Lua 中有一个常见的用法，不论变量、函数都可以用下面这种方法保存到局部变量中（同时加快访问速度）：

local foo = foo

书里加了个括号来解释这种写法：

The local foo becomes visible only after its declaration.

这一点需要瞎扯的是 C 语言里相应的东西。

int foo = 12;
int bar = 6;

void foobar(void)
{
    int foo = foo;
    int bar[bar];
}

与 Lua 不同，在 C 语言中初始赋值是声明之后的事情。所以这里函数 foobar 中的 foo 会被初始化为自己（而不是全局的 foo，所以值不确定），bar 却被合法地定义为一个含有 6 个元素的数组。

看似多余的限制

另一个有趣的现象是在 4.4 节中说到：

For syntactic reasons, a break or return can appear only as the last statement of a block; in other words, as the last statement in your chunk or just before an end, an else, or an until.

乍一看觉得加上这个限制真是麻烦，但想想这不正是 break/return 的正确用法么？因为其后的语句都永远不会被执行到，所以如果不是在块的最后写 break/return 是毫无意义的（调试除外）。虽然看上去是挺多余的一段话，但也算是说出了事物的本源。

函数的本质

第六章 More About Functions 中说到我们平时在 Lua 中写的函数声明

function foo (x) return 2*x end

其实是一种语法糖，本质上我们可以把它写成如下代码：

foo = function (x) return 2*x end

于是也就可以说

  • Lua 中的所有函数都是匿名函数，之前所谓“具名函数”只是保存了某个匿名函数的变量罢了。
  • Lua 中的函数声明其实只是一个语句而已。

终于有用的知识

在第 47 页看到了一段令人泪流满面的代码和运行结果：

function derivative (f, delta)
  delta = delta or 1e-4
  return function (x)
           return (f(x + delta) - f(x))/delta
         end
end

c = derivative(math.sin)
print(math.cos(10), c(10))
--> -0.83907152907645 -0.83904432662041

最初我并不知道 derivative 是什么意思，但看了示例代码和运行结果，顿时恍然大悟：这货不就是导数吗？

沙盒

背景知识

Lua 给我的感觉是：各种内置函数和标准库的存在感都是比较强的。如果执行这句：

for name in pairs(_G) do print(_G) end

就会把各种环境中已存在名称的打印出来：

  • 全局变量：比如字符串 _VERSION。
  • 内置函数：比如 print、tonumber、dofile 之类。
  • 模块名称：比如 string、io、coroutine 之类。

这里的全局变量 _G 就是存放环境的表（于是会有 _G 中存在着 _G._G 的递归）。

于是，平时对于全局变量的访问就可以等同于对 _G 表进行索引：

value = _G[varname]  --> value = varname
_G[varname] = value  --> varname = value

改变函数的环境

函数的上下文环境可以通过 setfenv(f, table) 函数改变，其中 table 是新的环境表，f 表示需要被改变环境的函数。如果 f 是数字，则将其视为堆栈层级（Stack Level），从而指明函数（1 为当前函数，2 为上一级函数）：

a = 3          -- 全局变量 a
setfenv(1, {}) -- 将当前函数的环境表改为空表
print(a)       -- 出错，因为当前环境表中 print 已经不存在了

没错，不仅是 a 不存在，连 print 都一块儿不存在了。如果需要引用以前的 print 则需要在新的环境表中放入线索：

a = 3
setfenv(1, { g = _G })
g.print(a)             -- 输出 nil
g.print(g.a)           -- 输出 3

沙盒

于是，出于安全或者改变一些内置函数行为的目的，需要在执行 Lua 代码时改变其环境时便可以使用 setfenv 函数。仅将你认为安全的函数或者新的实现加入新环境表中：

local env = {}  -- 沙盒环境表，按需要添入允许的函数

function run_sandbox(code)
  local func, message = loadstring(code)
  if not func then return nil, message end  -- 传入代码本身错误
  setfenv(func, env)
  return pcall(func)
end

Lua 5.2 的 _ENV 变量

Lua 5.2 中所有对全局变量 var 的访问都会在语法上翻译为 _ENV.var。而 _ENV 本身被认为是处于当前块外的一个局部变量。（于是只要你自己定义一个名为 _ENV 的变量，就自动成为了其后代码所处的“环境”（enviroment）。另有一个“全局环境”（global enviroment）的概念，指初始的 _G 表。）

Lua 的作者之一 Roberto Ierusalimschy 同志在介绍 Lua 5.2 时说：

the new scheme, with _ENV, allows the main benefit of setfenv with a little more than syntactic sugar.

就我的理解来说，优点就是原先虚无缥缈只能通过 setfenv、getfenv 访问的所谓“环境”终于实体化为一个始终存在的变量 _ENV 了。

于是以下两个函数内容大致是一样的：

-- Lua 5.1
function foobar()
  setfenv(1, {})
  -- code here
end

-- Lua 5.2
function foobar()
  local _ENV = {}
  -- code here
end

而更进一步的是，5.2 中对 load 函数作出了修改。（包括但不限于 :)）合并了 loadstring 功能，并可以在参数中指定所使用的环境表：

local func, message = load(code, nil, "t", env)

面向对象

没错，Lua 中只存在表（Table）这么唯一一种数据结构，但依旧可以玩出面向对象的概念。

添加成员函数

好吧，如果熟悉 C++ 还是很好理解类似的进化过程的：如果说 struct 里可以添加函数是从 C 过渡到 C++ 的第一认识的话，为 Table 添加函数也可以算是认识 Lua 是如何面向对象的第一步吧。

player = { health = 200 }  --> 一个普通的 player 表，这里看作是一个对象
function takeDamage(self, amount)
  self.health = self.health - amount
end

takeDamage(player, 20)  --> 调用

如何将独立的 takeDamage 塞进 player 中咧？答案是直接定义进去：

player = { health = 200 }
function player.takeDamage(self, amount)
  self.health = self.health - amount
end

player.takeDamage(player, 20)  --> 调用

这样就相当于在 player 表中添加了一个叫做 takeDamage 的字段，和下面的代码是一样的：

player = {
  health = 200,
  takeDamage = function(self, amount)  --> Lua 中的函数是 first-class value
    self.health = self.health - amount
  end
}

player.takeDamage(player, 20)  --> 调用

调用时的 player.takeDamage(player, 20) 稍显不和谐（据说用术语叫做 DRY），于是就要出动“冒号操作符”这个专门为此而生的语法糖了：

player:takeDamage(20)              --> 等同于 player.takeDamage(player, 20)
function player:takeDamage(amount) --> 等同于 function player.takeDamage(self, amount)

从对象升华到类

类的意义在于提取一类对象的共同点从而实现量产（我瞎扯的 >_<）。同样木有 Class 概念的 Javascript 使用 prototype 实现面向对象，Lua 则通过 Metatable 实现与 prototype 类似的功能。

Player = {}

function Player:create(o)    --> 参数 o 可以暂时不管
  o = o or { health = 200 }  --> Lua 的 or 与一般的 || 不同，如果非 nil 则返回该非 nil 值
  setmetatable(o, self)
  self.__index = self
  return o
end

function Player:takeDamage(amount)
  self.health = self.health - amount
end

playerA = Player:create()  --> 参数 o 为 nil
playerB = Player:create()

playerA:takeDamage(20)
playerB:takeDamage(40)

顾名思义 Metatable 也是一个 Table，可以通过在其中存放一些函数（称作 metamethod）从而修改一些默认的求值行为（如何显示为字符串、如何相加、如何连接、如何进行索引）。Metatable 的 index 域设置了“如何进行索引”的方法。例如调用 foo.bar 时，如果在 foo 中没有找到名为 bar 的域时，则会调用 Metatable：index(foo, bar)。于是：

playerA:takeDamage(20)

因为在 playerA 中并不存在 takeDamge 函数，于是求助于 Metatable：

getmetatable(playerA).__index.takeDamage(playerA, 20)

带入 Metatable 后：

Player.__index.takeDamage(playerA, 20)

因为 Player 的 __index 在 create 时被指定为 self，所以最终变为：

Player.takeDamage(playerA, 20)

于是 takeDamage 的 self 得到了正确的对象 playerA。

继承

继承是面向对象的一大特性，明白了如何创建“类”，那么继承也就比较明了了，还记得大明湖畔的参数 o 么？

RMBPlayer = Player:create()
function RMBPlayer:broadcast(message)  --> 为子类添加新的方法
  print(message)
end
function RMBPlayer:takeDamage(amount)  --> 子类重载父类方法
  self.health = self.health - amount / (self.money / 100)
end

vip = RMBPlayer:create { money = 200 } --> 子类添加新成员（单个 Table 作为参数可以省略括号）

vip:takeDamage(20)
vip:broadcast("F*ck")

以上便是 Lua 中实现面向对象的基本方法。

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