在Lua中实现Rust对象的绑定

实现目标：能将Rust对象快速的映射到lua中使用，尽可能的简化使用。

功能目标

以struct HcTestMacro为例：

1. 类型构建 ，在lua调用local val = HcTestMacro.new()可构建
2. 类型析构 ，在lua调用HcTestMacro.del(val)可析建，仅限light use**rdata
3. 字段的映射 ，假设有字段hc，我们需要能快速的进行字段的取值赋值

• 取值 ：val.hc或者val:get_hc()均可进行取值
• 赋值 ：val.hc = "hclua"或者val:set_hc("hclua")均可进行取值

4. 类型方法 ，注册类方法，比如额外的方法call1，那我们就可以通过注册到lua虚拟机，由于lua虚拟机可能不会是全局唯一的，所以不好通过宏直接注册

// 直接注册函数注册
HcTestMacro::object_def(&mut lua, "ok", hclua::function1(HcTestMacro::ok));
// 闭包注册单参数
HcTestMacro::object_def(&mut lua, "call1", hclua::function1(|obj: &HcTestMacro| -> u32 {
    obj.field
}));
// 闭包注册双参数
HcTestMacro::object_def(&mut lua, "call2", hclua::function2(|obj: &mut HcTestMacro, val: u32| -> u32 {
    obj.field + val
}));

5. 静态方法，有些静态类方法，即不实际化对象进行注册可相当于模块

HcTestMacro::object_static_def(&mut lua, "sta_run", hclua::function0(|| -> String {
    "test".to_string()
}));

完整示列代码

use hclua_macro::ObjectMacro;

#[derive(ObjectMacro, Default)]
#[hclua_cfg(name = HcTest)]
#[hclua_cfg(light)]
struct HcTestMacro {
    #[hclua_field]
    field: u32,
    #[hclua_field]
    hc: String,
}

impl HcTestMacro {
    fn ok(&self) {
        println!("ok!!!!");
    }
}


fn main() {
    let mut lua = hclua::Lua::new();
    let mut test = HcTestMacro::default();
    HcTestMacro::register(&mut lua);
    // 直接注册函数注册
    HcTestMacro::object_def(&mut lua, "ok", hclua::function1(HcTestMacro::ok));
    // 闭包注册单参数
    HcTestMacro::object_def(&mut lua, "call1", hclua::function1(|obj: &HcTestMacro| -> u32 {
        obj.field
    }));
    // 闭包注册双参数
    HcTestMacro::object_def(&mut lua, "call2", hclua::function2(|obj: &mut HcTestMacro, val: u32| -> u32 {
        obj.field + val
    }));
    HcTestMacro::object_static_def(&mut lua, "sta_run", hclua::function0(|| -> String {
        "test".to_string()
    }));
    lua.openlibs();
    
    let val = "
        print(aaa);
        print(\"cccxxxxxxxxxxxxxxx\");
        print(type(HcTest));
        local v = HcTest.new();
        print(\"call ok\", v:ok())
        print(\"call1\", v:call1())
        print(\"call2\", v:call2(2))
        print(\"kkkk\", v.hc)
        v.hc = \"dddsss\";
        print(\"kkkk ok get_hc\", v:get_hc())
        v.hc = \"aa\";
        print(\"new kkkkk\", v.hc)
        v:set_hc(\"dddddd\");
        print(\"new kkkkk1\", v.hc)
        print(\"attemp\", v.hc1)
        print(\"vvvvv\", v:call1())
        print(\"static run\", HcTest.sta_run())
        HcTest.del(v);
    ";
    let _: Option<()> = lua.exec_string(val);
}

源码地址

hclua Rust中的lua绑定。

功能实现剥析

通过derive宏进行函数注册:#[derive(ObjectMacro, Default)]

通过attrib声明命名：#[hclua_cfg(name = HcTest)]，配置该类在lua

中的名字为HcTest，本质上在lua里注册全局的table，通过在该table下注册
HcTest { new = function(), del = function() }

通过attrib注册生命：#[hclua_cfg(light)]，表示该类型是light userdata即生命周期由Rust控制，默认为userdata即生命周期由Lua控制，通过__gc进行回收。

通过attrib声明字段：#[hclua_field]放到字段前面，即可以注册字段使用，在derive生成的时候判断是否有该字段，进行字段的映射。

derive宏实现

主要源码在 hclua-macro 实现， 完整代码可进行参考。

1. 声明并解析ItemStruct

#[proc_macro_derive(ObjectMacro, attributes(hclua_field, hclua_cfg))]
pub fn object_macro_derive(input: TokenStream) -> TokenStream {
    let ItemStruct {
        ident,
        fields,
        attrs,
        ..
    } = parse_macro_input!(input);

2. 解析Config，即判断类名及是否light

let config = config::Config::parse_from_attributes(ident.to_string(), &attrs[..]).unwrap();

3. 解析字段并生成相应的函数

let functions: Vec<_> = fields
    .iter()
    .map(|field| {
        let field_ident = field.ident.clone().unwrap();
        if field.attrs.iter().any(|attr| attr.path().is_ident("hclua_field")) {
            let get_name = format_ident!("get_{}", field_ident);
            let set_name = format_ident!("set_{}", field_ident);
            let ty = field.ty.clone();
            quote! {
                fn #get_name(&mut self) -> &#ty {
                    &self.#field_ident
                }

                fn #set_name(&mut self, val: #ty) {
                    self.#field_ident = val;
                }
            }
        } else {
            quote! {}
        }
    })
    .collect();

let registers: Vec<_> = fields.iter().map(|field| {
    let field_ident = field.ident.clone().unwrap();
    if field.attrs.iter().any(|attr| attr.path().is_ident("hclua_field")) {
        let ty = field.ty.clone();
        let get_name = format_ident!("get_{}", field_ident);
        let set_name = format_ident!("set_{}", field_ident);
        quote!{
            hclua::LuaObject::add_object_method_get(lua, &stringify!(#field_ident), hclua::function1(|obj: &mut #ident| -> &#ty {
                &obj.#field_ident
            }));
            // ...
        }
    } else {
        quote!{}
    }
}).collect();

通过生成TokenStream数组，在最终的时候进行源码展开#(#functions)*即可以得到我们的TokenStream拼接的效果。

4. 生成最终的代码

let name = config.name;
let is_light = config.light;
let gen = quote! {
    impl #ident {
        fn register_field(lua: &mut hclua::Lua) {
            #(#registers)*
        }

        fn register(lua: &mut hclua::Lua) {
            let mut obj = if #is_light {
                hclua::LuaObject::<#ident>::new_light(lua.state(), &#name)
            } else {
                hclua::LuaObject::<#ident>::new(lua.state(), &#name)
            };
            obj.create();

            Self::register_field(lua);
        }

        fn object_def<P>(lua: &mut hclua::Lua, name: &str, param: P)
        where
            P: hclua::LuaPush,
        {
            hclua::LuaObject::<#ident>::object_def(lua, name, param);
        }

        #(#functions)*
    }
    // ...
};
gen.into()

这样子我们通过宏就实现了我们快速的实现方案。

Field映射的实现

Lua对象映射中，type(val)为一个object变量，在这基础上进行访问的都将会触发元表的操作metatable

Field的获取

我们访问任何对象如val.hc：

1. 查找val中是否有hc的值，若存在直接返回
2. 查找object中对应的元表lua_getmetatable若为meta
3. 找到__index的key值，若不存在则返回空值
4. 调用__index函数，此时调用该数第一个参数为val，第二个参数为hc
5. 此时有两种可能，一种是访问函数跳转6，一种是访问变量跳转7，
6. 将直接取出meta["hc"]返回给lua，如果是值即为值，为函数则返回给lua的后续调用，通常的形式表达为val:hc()即val.hc(val)实现调用，结束流程
7. 因为变量是一个动态值，我们并未存在metatable中，所以需要额外的调用取出正确值，我们将取出的函数手动继续在调用lua_call(lua, 1, 1);即可以实现字段的返回

注：在变量中该值是否为字段处理过程会有相对的差别，又需要高效的进行验证，这里用的是全局的静态变量来存储是否为该类型的字段值。

lazy_static! {
    static ref FIELD_CHECK: RwLock<HashSet<(TypeId, &'static str)>> = RwLock::new(HashSet::new());
}

完整源码：

extern "C" fn index_metatable(lua: *mut sys::lua_State) -> libc::c_int {
    unsafe {
        if lua_gettop(lua) < 2 {
            let value = CString::new(format!("index field must use 2 top")).unwrap();
            return luaL_error(lua, value.as_ptr());
        }
    }
    if let Some(key) = String::lua_read_with_pop(lua, 2, 0) {
        let typeid = Self::get_metatable_real_key();
        unsafe {
            sys::lua_getglobal(lua, typeid.as_ptr());
            let is_field = LuaObject::is_field(&*key);
            let key = CString::new(key).unwrap();
            let t = lua_getfield(lua, -1, key.as_ptr());
            if !is_field {
                if t == sys::LUA_TFUNCTION {
                    return 1;
                } else {
                    return 1;
                }
            }
            lua_pushvalue(lua, 1);
            lua_call(lua, 1, 1);
            1
        }
    } else {
        0
    }
}

此时字段的获取已经完成了。

Field的设置

此时我们需要设置对象val.hc = "hclua"：

1. 查找val中是否有hc的值，若有直接设置该值
2. 查找object中对应的元表lua_getmetatable若为meta
3. 找到__newindex的key值，若不存在则返回空值
4. 调用__newindex函数，此时调用该数第一个参数为val，第二个参数为hc，第三个参数为字符串"hclua"
5. 若此时判断第二个参数不是字段，则直接返回lua错误内容
6. 此时我们会在第二个参数的key值后面添加__set即为hc__set，我们查找meta["hc__set"] 若为空则返回失败，若为函数则转到7
7. 我们将调用该函数，并将第一个参数val，第三个参数hclua，并进行函数调用

lua_pushvalue(lua, 1);
lua_pushvalue(lua, 3);
lua_call(lua, 2, 1);

此时字段的设置已经完成了。

小结

Lua的处理速度较慢，为了高性能，通常有许多函数会放到Rust层或者底层进行处理，此时有一个快速的映射就可以方便代码的快速使用复用，而通过derive宏，我们可以快速的构建出想要的功能。