Lua元表（Metatable）

元表的基本概念

元表（Metatable）是Lua中一种特殊的表，用于定义或扩展其他表的行为。通过元表，可以自定义表的操作方式，例如加法、减法、索引、调用等。每个表可以关联一个元表，元表本身也是一个普通的表，但包含特定的元方法（Metamethods）来定义行为。

设置和获取元表

使用setmetatable(table, metatable)为表设置元表，getmetatable(table)获取表的元表。元表通常包含一系列以双下划线（__）开头的键，称为元方法。

local t = {}
local mt = {}
setmetatable(t, mt) -- 设置mt为t的元表
print(getmetatable(t) == mt) -- 输出true

常用元方法

算术运算元方法

• __add: 定义加法操作（+）
• __sub: 定义减法操作（-）
• __mul: 定义乘法操作（*）
• __div: 定义除法操作（/）
• __mod: 定义取模操作（%）
• __pow: 定义幂运算操作（^）
• __unm: 定义负号操作（-）

示例：

local vec1 = {x = 1, y = 2}
local vec2 = {x = 3, y = 4}
local mt = {
    __add = function(a, b)
        return {x = a.x + b.x, y = a.y + b.y}
    end
}
setmetatable(vec1, mt)
setmetatable(vec2, mt)
local vec3 = vec1 + vec2
print(vec3.x, vec3.y) -- 输出4, 6

关系运算元方法

• __eq: 定义相等操作（==）
• __lt: 定义小于操作（<）
• __le: 定义小于等于操作（<=）

示例：

local mt = {
    __eq = function(a, b)
        return a.value == b.value
    end
}
local a = {value = 10}
local b = {value = 10}
setmetatable(a, mt)
setmetatable(b, mt)
print(a == b) -- 输出true

其他元方法

• __index: 定义当访问表中不存在的键时的行为。
• __newindex: 定义当给表中不存在的键赋值时的行为。
• __call: 定义当表被调用时的行为。
• __tostring: 定义当表被转换为字符串时的行为。
• __len: 定义当使用#操作符获取表长度时的行为。

__index 元方法

__index可以是一个函数或表。如果是表，当键不存在时会从该表中查找；如果是函数，则会调用函数并返回结果。

示例（函数形式）：

local mt = {
    __index = function(table, key)
        return "Key " .. key .. " not found"
    end
}
local t = {}
setmetatable(t, mt)
print(t.name) -- 输出"Key name not found"

示例（表形式）：

local defaults = {name = "Unknown", age = 0}
local mt = {__index = defaults}
local t = {}
setmetatable(t, mt)
print(t.name) -- 输出"Unknown"

__newindex 元方法

__newindex可以是一个函数或表。如果是表，赋值操作会修改该表；如果是函数，则会调用函数处理赋值。

示例（函数形式）：

local mt = {
    __newindex = function(table, key, value)
        rawset(table, key, value .. " (modified)")
    end
}
local t = {}
setmetatable(t, mt)
t.name = "Alice"
print(t.name) -- 输出"Alice (modified)"

__call 元方法

允许表像函数一样被调用。

示例：

local mt = {
    __call = function(table, arg)
        print("Called with", arg)
    end
}
local t = {}
setmetatable(t, mt)
t(42) -- 输出"Called with 42"

__tostring 元方法

自定义表的字符串表示形式。

示例：

local mt = {
    __tostring = function(table)
        return "Table: " .. table.name
    end
}
local t = {name = "Test"}
setmetatable(t, mt)
print(t) -- 输出"Table: Test"

使用rawget和rawset

rawget(table, key)和rawset(table, key, value)可以绕过元方法直接操作表，避免递归调用。

示例：

local t = {}
local mt = {
    __newindex = function(table, key, value)
        rawset(table, key, value * 2) -- 直接赋值，避免递归
    end
}
setmetatable(t, mt)
t.x = 10
print(t.x) -- 输出20

元表的继承

通过__index可以实现类似继承的效果。

示例：

local parent = {name = "Parent"}
local child = {}
setmetatable(child, {__index = parent})
print(child.name) -- 输出"Parent"

Warring：

• 元表的功能强大，但滥用可能导致代码难以维护。
• 避免在元方法中执行耗时操作，可能影响性能。
• 元表是Lua实现面向对象编程的基础机制之一。