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[Lua]Lua中函数与面向对象编程的基础知识整理

函数在面对对象的编程中又被叫做方法,会受到作用域的制约,Lua中具有类等面向对象的特性,接下来我们就来看一下Lua中函数与面向对象编程的基础知识整理
函数
1. 基础知识
调用函数都需要写圆括号,即使没有参数,但有一种特殊例外:函数若只有一个参数且参数是字面字符串或table构造式,则圆括号可有可无,如dofile 'a.lua',f{x=10, y=20}。
Lua为面向对象式的调用提供冒号操作符的特殊语法,如o.foo(o, x)等价于o:foo(x)。和Javascript类似,调用函数时提供的实参数量可以与形参数量不同,若实参多了则舍弃,不足则多余的形参初始化为nil。
1.1 多重返回值
Lua允许函数返回多个结果,函数返回如return max, index,接收如s, e = string.find("hello Lua world", "Lua")。如果一个函数调用不是一系列表达式的最后一个元素,则只产生一个值:

function foo() return "a", "b" end
x, y = foo(), 20  -- x="a", y=20(foo的第二个返回值被丢弃)
print(foo() .. "x")  -- 输出ax,这是因为当函数出现在一个表达式中时,Lua会将其返回值数量调整为1

另外,只有当一个函数调用作为最后一个元素时,返回值才不会被调整,在其他位置都会被调整为1个,如t = {foo2()}则t={“a”, “b”},t = {foo2(), 4}则t={“a”, 4}。
特殊函数unpack接受一个数组作为参数,并从下标1开始返回该数组的所有元素,如a, b = unpack({10, 20, 30}),则30被丢弃。unpack的一项重要用途体现在“泛型调用”机制中。
1.2 变长参数
函数参数表中3个点(…)表示该函数可接受不同数量的实参。在Lua 5.0中,没有提供“…”表达式,如果要遍历变长参数,可以访问函数内隐含的局部变量arg。如果还有固定参数,则必须放在变长参数之前。
2. 高级主题
2.1 closure闭合函数
和Javascript的闭包基本是一个东西,此处不再赘述。从技术上说,Lua中只有closure,而不存在“函数”,因为函数本身就是一种特殊的closure。closure的应用很广泛,如用于高阶函数的参数、为GUI工具包创建回调、重定义函数并在新实现中调用旧实现、创建“沙盒”安全运行环境等等。
2.2 非全局的函数
大部分Lua库都采用了将函数存储在table中的机制(如io.read,math.sin),例如下面采用了三种方式来定义table的成员函数:

MathLib = {
  plus = function(x, y) return x + y end
}
MathLib.minus = function(x, y) return x - y end
function MathLib.multiply(x, y) return x * y end

局部函数的定义:

local f = function(<参数>) <函数体> end
local function f(<参数>) <函数体> end -- Lua提供的语法糖

**注意如果定义递归函数,不能使用上面第一种定义方式(因为在函数体调用f时,f尚未定义完毕),使用第二种“语法糖”则没问题;或者使用“前向声明”,先local f再f = function ...这样定义。
2.3 正确的尾调用
当一个函数调用时另一个函数的最后一个动作时,该调用算是一条“尾调用”,例如function f(x) return g(x) end。由于在尾调用后程序不要保存任何关于该函数的栈信息,所以递归调用不会耗费栈空间,可以递归调用无数次。有一些看似是“尾调用”的代码,其实都违背了这条准则:

function f(x) g(x) end  -- 调用g后,f没有立即返回,还需要丢弃g返回的临时结果
function f(x) return g(x) + 1  -- 还要做一次加法
function f(x) return x or g(x)  -- 必须调整为一个返回值

所以,只有形如return <func>(<args>)这样的调用形式才算是尾调用。
面向对象编程
Lua中的table就是一种对象,因为它和对象一样可以拥有状态,也拥有一个独立于其值的标识(一个self),也和对象一样具有独立于创建者的生命周期。但是Lua中没有类的概念,只能用元表来实现原型,用原型来模拟类和继承等面向对象特性。本文将介绍Lua关于面向对象编程的内容。
1 self与冒号语法
使用self参数是所有面向对象语言的一个核心,Lua只需使用冒号语法,就能隐藏该参数,例如下面两段代码是等价的。

Account = {balance=0}
funtion Account.withdraw(self, v)
  self.balance = self.balance - v
end
a1 = Account; Account = nil
a1.withdraw(a1, 100.0) -- 注意这是可以运行的

function Account:withdraw(v)
  self.balance = self.balance - v
end
a2 = Account
a2:withdraw(100.0) -- 省略了a2参数传入


2 类的编写
在一些基于原型的语言中,对象是没有类型的,但每个对象都有一个原型。原型是一种常规的对象,当其他对象遇到一个未知操作时,原型会先查找它。在这种语言中要表示一个类,只需创建一个专用做其他对象的原型。Lua中实现原型很简单,只需用元表的__index来实现继承。
(当访问一个table中不存在的字段key时,一般得到结果为nil。事实上,访问会促使解释器去查找一个叫__index的元方法,如果没有这个元方法,则访问结果如前述的nil,否则由这个元方法来提供结果。元方法除了是一个函数,还可以是一个table,如果是table则直接返回该table中key对应的内容。)
如果有两个对象a和b,要让b作为a的一个原型,只需setmetatable(a, {__index=b})。a就会在b中查找它没有的操作。

function Account:new(o)
  o = o or {} -- 如果用户没有提供table,则创建一个
  setmetatable(o, self)
  self.__index = self
  return o
end

当调用a = Account:new{balance = 0}时,a会将Account(函数中的self)作为其元表。当调用a:withdraw(100.0)时,Lua无法在table a中找到条目withdraw,则进一步搜索元表的__index条目,即getmetatable(a).__index.withdraw(a, 100.0)。由于new方法中做了self.__index = self,所以上面的表达式又等价于Account.withdraw(a, 100.0),这样就传入了a作为self参数,又调用了Account类的withdraw函数。这种创建对象的方式不仅可以作用于方法,还可以作用于所有其他新对象中没有的字段。
3 继承
现在要从Account类派生出一个子类SpecialAccount(以使客户能够透支),只需:

SpecialAccount = Account:new()
s = SpecialAccount:new{limit=1000.00}

SpecialAccount从Account继承了new,当执行SpecialAccount:new时,其self参数为SpecialAccount,因此s的元表为SpecialAccount。当调用s不存在的字段时,会向上查找,也可以编写新的重名方法覆盖父类方法。
4 多重继承
上面介绍中为__index元方法赋值一个table实现了单继承,如果要实现多重继承,可以让__index字段成为一个函数,在该函数中搜索多个基类的方法字段。由于这种搜索具有一定复杂性,多重继承的性能不如单一继承。还有一种改进性能的简单做法是将继承的方法复制到子类中,但这种做法的缺点是当系统运行后就较难修改方法的定义,因为这些修改不会沿着继承体系向下传播。
5 私密性
Lua在设计对象时,没有提供私密性机制(private),但其各种元机制使得程序员可以模拟对象的访问控制。这种实现不常用,因此只做基本的了解:通过两个table来表示一个对象,一个用来保存对象的状态,一个用于对象的操作(即接口)。

function newAccount(initialBalance)
  local self = {balance = initialBalance}
  local withdraw = function(v)
    self.balance = self.balance -v
  end
  return {
    withdraw = withdraw
  }
end

通过闭包的方式,将具有私密性的字段(如balance)保存在self table中,并只公开了withdraw接口,这样就能实现私密性机制。
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