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Lua和C語言的交互詳解

前言

對于Lua的基礎總結總算告一段落了，從這篇博文開始，我們才真正的進入Lua的世界，一個無聊而又有趣的世界。來吧。

Lua語言是一種嵌入式語言，它本身的威力有限；當Lua遇見了C，那它就展示了它的強大威力。C和Lua是可以相互調用的。第一種情況是，C語言擁有控制權，Lua是一個庫，這種形式中的C代碼稱為“應用程序代碼”；第二種情況是，Lua擁有控制權，C語言是一個庫，這個時候C代碼就是“庫代碼”?！皯贸绦虼a”和“庫代碼”都使用同樣的API來與Lua通信，這些API就稱為C API。

C API是一組能使C代碼與Lua交互的函數(shù)，包括很多對Lua代碼的操作。如何操作，操作什么，我們的文章我都會一一總結。C API是非常靈活而強大的。為了表示它的NB之處，不先來一段小的DEMO程序展示一下，怎么能夠行呢？

復制代碼代碼如下:

#include iostream>

#include string.h>

extern "C"

{

    #include "lua.h"

    #include "lauxlib.h"

    #include "lualib.h"

}

int main()

{

    char buff[256] = {0};

    int error;

    lua_State *L = luaL_newstate(); // 打開Lua

    luaL_openlibs(L); // 打開標準庫

    while (fgets(buff, sizeof(buff), stdin) != NULL)

    {

        error = luaL_loadbuffer(L, buff, strlen(buff), "line")

            || lua_pcall(L, 0, 0, 0);

        if (error)

        {

            fprintf(stderr, "%s", lua_tostring(L, -1));

            lua_pop(L, 1); // 從棧中彈出錯誤消息

        }

    }

    lua_close(L);

    return 0;

}

如果你沒有接觸過C API，對于上面這段代碼，你肯定不會明白它是干什么的。什么也不說，你運行一下吧。然后輸入Lua語句，看看運行結果。

先對上述代碼引入的幾個頭文件進行解釋一下：

頭文件lua.h定義了Lua提供的基礎函數(shù)，包括創(chuàng)建Lua環(huán)境、調用Lua函數(shù)、讀寫Lua環(huán)境中全局變量，以及注冊供Lua調用的新函數(shù)等等；

頭文件lauxlib.h定義了輔助庫提供的輔助函數(shù)，它的所有定義都以LuaL_開頭。輔助庫是一個使用lua.h中API編寫出的一個較高的抽象層。Lua的所有標準庫編寫都用到了輔助庫；輔助庫主要用來解決實際的問題。輔助庫并沒有直接訪問Lua的內部，它都是用官方的基礎API來完成所有工作的；

頭文件lualib.h定義了打開標準庫的函數(shù)。Lua庫中沒有定義任何全局變量。它將所有的狀態(tài)都保存在動態(tài)結構lua_State中，所有的C API都要求傳入一個指向該結構的指針。luaL_newstate函數(shù)用于創(chuàng)建一個新環(huán)境或狀態(tài)。當luaL_newstate創(chuàng)建一個新的環(huán)境時，新的環(huán)境中并沒有包含預定義的函數(shù)（eg.print）。為了使Lua保持靈活，小巧，所有的標準庫都被組織到了不同的包中。當我們需要使用哪個標準庫時，就可以調用lualib.h中定義的函數(shù)來打開對應的標準庫；而輔助函數(shù)luaL_openlibs則可以打開所有的標準庫。

頭文件說完了，如果對代碼中的extern “C”不懂的同學，請看這里。然后，就沒有然后了，然后我就先不解釋了，等我將后面的內容總結完，再回過頭來看，你會明白的更徹底。點擊這里去下載完整項目工程。

棧

Lua和C語言通信的主要方法是一個無處不在的虛擬棧。幾乎所有的API調用都會操作這個棧上的值；所有的數(shù)據(jù)交換，無論是Lua到C語言或C語言到Lua都通過這個棧來完成。?？梢越鉀QLua和C語言之間存在的兩大差異，第一種差異是Lua使用垃圾收集，而C語言要求顯式地釋放內存；第二種是Lua使用動態(tài)類型，而C語言使用靜態(tài)類型。

為了屏蔽C和Lua之間的差異性，讓彼此之間的交互變的通常，便出現(xiàn)了這個虛擬棧。棧中的每個元素都能保存任何類型的Lua值，當在C代碼中要獲取Lua中的一個值時，只需調用一個Lua API函數(shù)，Lua就會將指定值壓入棧中；要將一個值傳給Lua時，需要先將這個值壓入棧，然后調用Lua API，Lua就會獲得該值并將其從棧中彈出。為了將C類型的值壓入棧，或者從棧中獲取不同類型的值，就需要為每種類型定義一個特定的函數(shù)。是的，我們的確是這么干的。

Lua嚴格地按照LIFO規(guī)范來操作這個棧。但調用Lua時，Lua只會改變棧的頂部。不過，C代碼則有更大的自由度，它可以檢索棧中間的元素，甚至在棧的任意位置插入或刪除元素。

壓入棧

對于每種可以呈現(xiàn)在Lua中的C類型，API都有一個對應的壓入函數(shù)，我這里把它們都列出來：

復制代碼代碼如下:

void lua_pushnil(lua_State *L);

void lua_pushboolean(lua_State *L, int bool);

void lua_pushnumber(lua_State *L, lua_Number n);

void lua_pushinteger(lua_State *L, lua_Integer n);

void lua_pushlstring(lua_State *L, const char *s, size_t len);

void lua_pushstring(lua_State *L, const char *s);

上面的函數(shù)非常簡單，從命名就能知道它們的含義。這里不多說。稍后提供詳細的實例代碼供參考。由于這個棧并不是無限大的，當向棧中壓入一個元素時，應該確保棧中具有足夠的空間。當Lua啟動時，或Lua調用C語言時，棧中至少會有20個空閑的槽。這些空間一般情況下是足夠的，所有我們一般是不用考慮的，但總是會有特殊情況的，如果調用一個具有很多參數(shù)的函數(shù)，就需要調用lua_checkstack來檢查棧中是否有足夠的空間。

查詢元素

API 使用索引來棧中的元素。第一個壓入棧中的元素索引為1，第二個壓入的元素所以為2，以此類推，直到棧頂。我們也可以用棧頂作為參考物，使用負數(shù)來訪問棧中的元素，此時，-1表示棧頂元素，-2表示棧頂下面的元素，以此類推。有的情況適合使用正數(shù)索引，而有的情況下適合使用負數(shù)索引，我們可以根據(jù)實際需求，靈活變通。

為了檢查一個元素是否為特定的類型，API提供了一系列的函數(shù)lua_is*，其中*可以是任意Lua類型。這些函數(shù)有l(wèi)ua_isnumber、lua_isstring和lua_istable等，所有這些函數(shù)都有同樣的原型：

復制代碼代碼如下:

int lua_is*(lua_State *L, int index);

實際上，lua_isnumber不會檢查值是否為數(shù)字類型，而是檢查值是否能轉換為數(shù)字類型。lua_isstring也具有同樣的行為，這樣就出現(xiàn)一種狀況，對于能轉換成string的值，lua_isstring總是返回真，所以lua_is*這類函數(shù)在使用的時候，并不是非常的方便，所以，就出現(xiàn)了一個lua_type函數(shù)，它會返回棧中元素的類型，每種類型都對應一個常亮，這些常亮定義在頭文件lua.h中，它們是:

復制代碼代碼如下:

/*

** basic types

*/

#define LUA_TNONE        (-1)

#define LUA_TNIL        0

#define LUA_TBOOLEAN        1

#define LUA_TLIGHTUSERDATA    2

#define LUA_TNUMBER        3

#define LUA_TSTRING        4

#define LUA_TTABLE        5

#define LUA_TFUNCTION        6

#define LUA_TUSERDATA        7

#define LUA_TTHREAD        8

如果要檢查一個元素是否為真正的字符串或數(shù)字（無需轉換），也可以使用這個函數(shù)。

取值

我們一般使用lua_to*函數(shù)用于從棧中獲取一個值，有以下常用的取值函數(shù)：

復制代碼代碼如下:

lua_Number      lua_tonumber (lua_State *L, int idx);

lua_Integer     lua_tointeger (lua_State *L, int idx);

int             lua_toboolean (lua_State *L, int idx);

const char     *lua_tolstring (lua_State *L, int idx, size_t *len);

size_t          lua_objlen (lua_State *L, int idx);

lua_CFunction   lua_tocfunction (lua_State *L, int idx);

void           *lua_touserdata (lua_State *L, int idx);

lua_State      *lua_tothread (lua_State *L, int idx);

const void     *lua_topointer (lua_State *L, int idx);

如果指定的元素不具有正確的類型，調用這些函數(shù)也不會有問題。在這種情況下，lua_toboolean、lua_tonumber、lua_tointeger和lua_objlen會返回0，而其它函數(shù)會返回NULL。lua_tolstring函數(shù)會返回一個指向內部字符串副本的指針，并將字符串的長度存入最后一個參數(shù)len中。這個內部副本不能修改，返回類型中的const也說明了這點。Lua保證只要這個對應的字符串還在棧中，那么這個指針就是有效的。當Lua調用的一個C函數(shù)返回時，Lua就會清空它的棧。這就有一條非常重要的規(guī)則：

復制代碼代碼如下:

***不要在C函數(shù)之外使用在C函數(shù)內獲得的指向Lua字符串的指針***

所有l(wèi)ua_tolstring返回的字符串在其末尾都會有一個額外的零，不過這些字符串中間也可能有零，字符串的長度通過第三個參數(shù)len返回，這才是真正的字符串長度。

lua_objlen函數(shù)可以返回一個對象的“長度”。對于字符串和table，這個值就是長度操作符“#”的結果。這個函數(shù)還可用于獲取一個“完全userdata”的大小，關于userdata，后面還會單獨總結。

其它棧操作

除了在C語言和棧之間交換數(shù)據(jù)的函數(shù)外，API還提供了以下這些用于普通棧操作的函數(shù)：

復制代碼代碼如下:

/*

** basic stack manipulation

*/

int   lua_gettop (lua_State *L);

void  lua_settop (lua_State *L, int idx);

void  lua_pushvalue (lua_State *L, int idx);

void  lua_remove (lua_State *L, int idx);

void  lua_insert (lua_State *L, int idx);

void  lua_replace (lua_State *L, int idx);

現(xiàn)在就來簡單的說說這幾個函數(shù)，lua_gettop函數(shù)返回棧中元素的個數(shù)，也可以說是棧頂元素的索引。lua_settop將棧頂設置為一個指定的位置，即修改棧中元素的數(shù)量，如果之前的棧頂比新設置的更高，那么高出來的這些元素會被丟棄；反之，會向棧中壓入nil來補足大小；比如，調用以下語句就能清空棧：

復制代碼代碼如下:

lua_settop(L, 0);

也可以使用負數(shù)索引來使用lua_settop。lua_pushvalue函數(shù)會將指定索引上值得副本壓入棧。lua_remove刪除指定索引上的元素，并將該位置之上的所有元素下移以填補空缺。lua_insert會上移指定位置之上的所有元素以開辟一個槽空間，然后將棧頂元素移到該位置。lua_replace彈出棧頂?shù)闹?，并將該值設置到指定索引上，但它不會移動任何東西，只是替換了指定索引的值。說了這么多，總結了這么多，不來點真槍實干的，總是覺的很虛，上代碼。點擊這里去下載本篇博文中所有的代碼工程吧。

C API出錯了怎么辦？

沒有十全十美，沒有任何bug的程序的。是的，再NB的人寫的程序，也可能出現(xiàn)問題，有些問題不是我們控制范圍之內的。既然我們無法控制問題的出現(xiàn)，但是我們對問題出現(xiàn)以后的行為進行處理，比如：出現(xiàn)問題了，彈出一個友好的message，這聽起來還是不錯的，很多程序都是這么干的。好吧，伙計，如果C API出錯了怎么辦呢？

Lua中所有的結構都是動態(tài)的，它們會根據(jù)需要來增長，或者縮小。是的，增長縮小，就涉及到內存的開辟與釋放，這有可能會出錯的，雖然我知道這個概率是很低的，但是對于程序員來說，對于任何可能出現(xiàn)問題的地方都要進行處理。這里有兩種情況：

1.C調用Lua代碼；
2.Lua代碼調用C。

不是所有的API函數(shù)都會拋出異常。函數(shù)luaL_newstate、lua_load、lua_pcall和lua_close都是安全的。在第一種情況下，一般都是使用lua_pcall來運行Lua代碼，由于lua_pcall是在保護的情況下運行l(wèi)ua代碼，如果發(fā)生了內存分配錯誤，lua_pcall會返回一個錯誤代碼，并將解釋器封固在一致的狀態(tài)；如果要保護那些與Lua交互的C代碼，可以使用lua_cpcall，這個函數(shù)類似于lua_pcall。

對于Lua調用C，當將新的C函數(shù)加入Lua時，可能會破壞內存的結構。當我們?yōu)長ua編寫庫函數(shù)時（Lua調用C的函數(shù)），只有一種標準的錯誤處理方法。當一個C函數(shù)檢測到一個錯誤時，它就應該調用lua_error，lua_error函數(shù)會清理Lua中所有需要清理的東西，然后跳轉回發(fā)起執(zhí)行的那個lua_pcall，并附上一條錯誤消息。在后面的博文中，會有這方面的代碼實例的。

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