Lua 之 userdata

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在Lua中可以通过自定义类型（user data）与C语言代码更高效、更灵活的交互，从而扩展Lua能够表达的类型。

full userdata

full userdata 表示一个原始的内存块，可以存储任何东西，它是一个类似于table的object，必须事先创建（也可以被垃圾收集器回收），它也有自己的metatable，它只等于其自身。

可以为每种full userdata 创建一个唯一的元表，来辨别不同类型的userdata，每当创建了一个userdata后，就用相应的元表（放在Registry中）来标记它，而每得到一个userdata后，就检查它是否拥有正确的元表。

Lua在释放full userdata所关联的内存时，若发现userdata对应的元表还有__gc元方法，则会调用这个方法，并以userdata自身作为参数传入。利用该特性，可以再回收userdata的同时，释放与此userdata相关联的资源。

创建一个full userdata：

void *lua_newuserdata (lua_State *L, size_t size);

lua_newuserdata 分配指定大小的内存块，然后将其入栈，并返回内存块地址。

Lua没有为user data预定义任何操作，所以，对user data的操作接口仍由C接口提供，并注册到Lua环境中，供Lua使用。

下面是使用user data实现布尔数组的一个例子：

// foo.c

#include <lua.h>
#include <lauxlib.h>
#include <lualib.h>
#include <limits.h>

#define BITS_PER_WORD (CHAR_BIT * sizeof(int))
#define I_WORD(i)     ((unsigned int)(i))/BITS_PER_WORD
#define I_BIT(i)      (1 << ((unsigned int)(i)%BITS_PER_WORD))

typedef struct NumArray {
    int size;
    unsigned int values[1];
} NumArray;

int newArray(lua_State* L)
{
    int i, n;

    n = luaL_checkint(L,1);

    luaL_argcheck(L, n >= 1, 1, "invalid size.");

    size_t nbytes = sizeof(NumArray) + I_WORD(n - 1) * sizeof(int);

    NumArray* a = (NumArray*) lua_newuserdata(L,nbytes);

    a->size = n;

    for (i = 0; i < I_WORD(n - 1); ++i)
        a->values[i] = 0;

    luaL_getmetatable(L, "myarray");

    lua_setmetatable(L, -2);

    return 1;
}

int setArray(lua_State* L)
{
    //1. Lua传给该函数的第一个参数必须是userdata，该对象的元表也必须是注册表中和myarray关联的table。
    //否则该函数报错并终止程序。
    NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
    int index = luaL_checkint(L,2) - 1;

    luaL_checkany(L,3);     // there are 3 arguments
    luaL_argcheck(L,a != NULL,1,"'array' expected.");
    luaL_argcheck(L,0 <= index && index < a->size,2,"index out of range.");

    if (lua_toboolean(L,3))
        a->values[I_WORD(index)] |= I_BIT(index);
    else
        a->values[I_WORD(index)] &= ~I_BIT(index);

    return 0;
}

int getArray(lua_State* L)
{
    NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
    int index = luaL_checkint(L,2) - 1;
    luaL_argcheck(L, a != NULL, 1, "'array' expected.");
    luaL_argcheck(L, 0 <= index && index < a->size,2,"index out of range");
    lua_pushboolean(L,a->values[I_WORD(index)] & I_BIT(index));
    return 1;
}

int getSize(lua_State* L)
{
    NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
    luaL_argcheck(L,a != NULL,1,"'array' expected.");
    lua_pushinteger(L,a->size);
    return 1;
}

int array2string(lua_State* L)
{
    NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
    lua_pushfstring(L,"array(%d)",a->size);
    return 1;
}

static luaL_Reg arraylib_f [] = {
    {"new", newArray},
    {NULL, NULL}
};

static luaL_Reg arraylib_m [] = {
    {"set", setArray},
    {"get", getArray},
    {"size", getSize},
    {"__tostring", array2string}, //print(a)时Lua会调用该元方法。
    {NULL, NULL}
};

int luaopen_foo(lua_State* L)
{
    //1. 创建元表，并将该元表指定给newArray函数新创建的userdata。在Lua中userdata也是以table的身份表现的。
    //这样在调用对象函数时，可以通过验证其metatable的名称来确定参数userdata是否合法。
    luaL_newmetatable(L,"myarray");
    lua_pushvalue(L,-1);

    //2. 为了实现面对对象的调用方式，需要将元表的__index字段指向自身，同时再将arraylib_m数组中的函数注册到
    //元表中，之后基于这些注册函数的调用就可以以面向对象的形式调用了。
    //lua_setfield在执行后会将栈顶的table弹出。
    lua_setfield(L, -2, "__index");

    //将这些成员函数注册给元表，以保证Lua在寻找方法时可以定位。NULL参数表示将用栈顶的table代替第二个参数。
    luaL_register(L, NULL, arraylib_m);

    //这里只注册的工厂方法。
    luaL_register(L,"testuserdata",arraylib_f);

    return 1;
}

编译为C模块，方便Lua调用：

gcc foo.c -shared -fPIC -o foo.so  -llua-5.1 -I /usr/local/include/

在Lua中使用上面定义的布尔数组：

require "foo"

local array = testuserdata.new(100)

print(array:size())     -- 100

for i=1,100 do
    array:set(i, i%5 == 0)
end

for i=1,100 do
    print(array:get(i))
end