Lua - 常用的 C API-Lua编程入门

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## 基础概念

### states

Lua连接库是完全可重入的，因为它没有全局变量。Lua解释器的整个state（如全局变量、堆栈等）都存储在一个结构类型为Lua_State动态分配的对象里。指向这一对象的指针必须作为第一个参数传递给所有连接库的API，除了用来生成一个Lua state的函数——lua_open。在调用所有的API函数之前，你必须先用lua_open以生成一个state：

lua_State* lua_open(void);

可以通过调用lua_close来释放一个通过lua_open生成的state：

void lua_close (lua_State *L);

这一函数销毁给定的Lua_State中的所有对象并释放state所占用的动态内存（如果有必要的话将通过调用对应的垃圾收集元方法来完成），在某些平台上，你不必调用这个函数，因为当宿主程序退出时会释放所有的资源，换句话说，长期运行的程序，如守护进程或web服务器，应尽快释放state所占的资源，以避免其过于庞大。

### 堆栈与索引

Lua使用虚拟堆栈机制和C程序互相传值，所有的堆栈中的元素都可以看作一个Lua值（如nil, number, string等）。

当Lua调用C函数时，被调用的C函数将得到一个新的堆栈。这一堆栈与之前调用此函数的堆栈无关，也有其它C函数的堆栈无关。这一新的堆栈用调用C函数要用到的参数初始化，同时，这一堆栈也被用以返回函数调用结果。

为了便于操作，在API的中大量操作都并不依从堆栈只能操作栈顶元素的严格规则。而通过索引引用堆栈的任一元素。一个正整数索引可以看作某一元素在堆栈中的绝对位置（从1开始计数），一个负整数索引可以看作某一元素相对于栈顶的偏移量。

特别地，如果堆栈中有n个元素，那么索引1指向第一个元素（即第一个压入栈的元素）索引n指向最后一个元素；反过来，索引-1指向最后一个元素（即栈顶元素）索引-n指向第一个元素。当一个索引大于1并小于n时我们称其为一个有效索引（即1 <= abs(index) <= top）。

## 接口解析

### lua\_newstate

lua_State *lua_newstate (lua_Alloc f, void *ud);

创建一个新的独立 state，不能创建返回 NULL。形参 f 是 allocator 函数，Lua 通过这个函数来为这个 state 分配内存。第二个形参 ud，是一个透明指针，每次调用时，Lua简单地传给 allocator 函数。

### lua\_open/lua\_close

lua\_open 被 lua_newstate 替换，可以使用luaL_newstate从标准库中创建一个标准配置的 state，如： lua_State *L = luaL_newstate(); 。

void lua_close (lua_State *L);

销毁指定的 state 中所有的对象，并释放指定的 state 中使用的所有动态内存。

### lua\_load/lua\_call/lua\_pcall/lua\_cpcall

这些函数的目的就是让我们能够执行压入栈中的函数，该函数可能是lua中定义的函数,可能是C++重定义的函数，当然我们一般是用来执行lua中执行的函数,C++中定义的基本上可以直接调用的。

int lua_load (lua_State *L,
	              lua_Reader reader,
	              void *data,
	              const char *chunkname);
	
	void lua_call(lua_State *L, int nargs, int nresults);
	void lua_pcall(lua_State *L, int nargs, int nresults, int errfunc);
	void lua_cpcall(lua_State *L, int nargs, int nresults, int errfunc, void *ud);

L是执行环境，可以理解为当前栈，nargs参数个数,nresults返回值个数。lua_pcall和该函数区别是多一个参数，用于发生错误处理时的代码返回。lua_cpcall则又多一个用于传递用户自定义的数据结构的指针。

lua_call的运行是无保护的，他与lua_pcall相似，但是在错误发生的时候她抛出错误而不是返回错误代码。当你在应用程序中写主流程的代码时，不应该使用 lua_call，因为你应该捕捉任何可能发生的错误。当你写一个函数的代码时，使用lua_call是比较好的想法，如果有错误发生，把错误留给关心她的人去处理。所以，写应用程序主流程代码用lua_pcall，写C Native Function代码时用lua_call。

**示例1：**

Lua 代码：

a = f("how", t.x, 14)

C 代码：

lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, "f"); /* function to be called */
	 lua_pushstring(L, "how");                        /* 1st argument */
	 lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, "t");   /* table to be indexed */
	 lua_getfield(L, -1, "x");        /* push result of t.x (2nd arg) */
	 lua_remove(L, -2);                  /* remove 't' from the stack */
	 lua_pushinteger(L, 14);                          /* 3rd argument */
	 lua_call(L, 3, 1);     /* call 'f' with 3 arguments and 1 result */
	 lua_setfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, "a");        /* set global 'a' */

在上面的例子除了描述了lua_call的使用外，还对lua_getfield的使用有一定的参考价值。特别是学习如何在一个表中获取他的值。

在上面的例子中，可能再调用lua_getfield时就会忘记调用lua_remove,当然这是我想象自己使用时会犯下的错。lua_getfield函数功能是从指定表中取出指定元素的值并压栈。上面获取t.x的值的过程就是先调用:

lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, "t");

从全局表中获取t的值，然而t本身是一个表，现在栈顶的值是t表。于是再一次调用：

lua_getfield(L, -1, "x");

从t中取出x的值放到栈上，-1表示栈顶。那该函数执行完成后t的位置由-1就变成-2了，所以下面一句 lua_remove 索引的是-2，必须把t给remove掉，否则栈中就是4个参数了。上面的最后一句 lua_setfield 的目的是把返回值取回赋给全局变量a，**因为在lua_call执行完成后，栈顶的就是返回值了**。

**示例2：**

//test.lua
	function printmsg()  
		print("hello world")  
	end
	x = 10  
	
	//test.c
	#include <stdio.h>  
	#include <unistd.h>  
	  
	#include <lua.h>
	#include <lauxlib.h>  
	#include <lualib.h>  
	  
	int main(int argc, const char *argv[]) {  
	    lua_State *L;  
	    if(NULL == (L = luaL_newstate())) {  
	        perror("luaL_newstate failed");  
	        return -1;  
	    }  
	    luaL_openlibs(L);  
	    if(luaL_loadfile(L, "./test.lua")) {  
	        perror("loadfile failed");  
	        return -1;  
	    }  
	    lua_pcall(L, 0, 0, 0);
	  
	    lua_getglobal(L, "printmsg");  
	    lua_pcall(L, 0, 0, 0);  
	  
	    lua_close(L);  	  
	    return 0;  
	}

上面的代码就是在test.c中调用test.lua的函数printmsg函数。

对于上面的C代码，我想大家都知道几个函数的大概作用：

- luaL\_newstate()：创建一个新的Lua虚拟机
- luaL\_openlibs()：打开一些必要的库，比如print等
- luaL\_loadfile()：手册上写的是"This function uses lua\_load to load the chunk in the filenamed filename." 而lua_load就是把编译过的chunk放在stack的顶部。理解chunk很重要，后面会具体讲到
- lua_pcall：执行栈上的函数调用

一开始我一直认为既然 luaL_loadfile 执行以后，就可以直接用 lua_getglobal 获得test.lua中的函数，其实不然。**手册中明确提到，lua_load把一个lua文件当作一个chunk编译后放到stack的栈顶，而什么是chunk呢？chunk就是一个可执行语句的组合，可以是一个文件也可以是一个string**，“Lua handles a chunk as the body of an anonymous function with a variable number of arguments”这是Lua对chunk也就是lua文件的处理方式，就是认为是一个可变参数的匿名函数。也就是说，调用后栈上有一个匿名函数，这个函数的body就是文件中所有的内容。

在 luaL_loadfile 后，调用 lua_gettop 以及 lua_type 可以知道栈的大小为1，放在栈上的是一个 function 类型的value。为什么 loadfile 后我们不能直接获取到 printmsg 这个函数呢，那是因为刚才提到的，loadfile仅仅视编译lua文件，并不执行这个文件，也就是说只是在栈上形成了一个匿名函数。只有执行这个函数一次，才会使得printmsg可以通过 lua_getglobal 获取，否则，全局变量是空的。我在手册上看到这样一句话：Lua在执行函数的时候，函数会实例化，获得的 closure 也是这个函数的最终值。其实不管是函数，还是其他类型，如果不执行的话，它们只是被编译，并不能在进程的空间种获取到他们，感觉就像c的库一样，他们的编译文件.so已经存在，但是如果你不调用它，那么库中所有的变量不能被实例化，调用者也就无法访问。其实pringmsg和x本质是一样的，只是他们类型不同而已。

### lua\_getfield/lua\_setfield

void lua_getfield (lua_State *L, int index, const char *k);

把值 t[k] 压入堆栈，t 是给定有效的索引 index 的值，和在 Lua 中一样，这个函数可能会触发元方法 index 事件。

void lua_setfield (lua_State *L, int index, const char *k);

相当于 t[k] = v，t 是给定的有效索引 index 的值，v 是堆栈顶部的值，这个函数会弹出这个值，和在 Lua 中一样，这个函数可能会触发 newindex 元方法事件。

### lua\_getglobal/lua\_setglobal

lua_getglobal

void lua_getglobal (lua_State *L, const char *name);

把全局 name 的值压入栈顶，它被定义为宏(macro)：

#define lua_getglobal(L,s)  lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, s)

lua_setglobal

void lua_setglobal (lua_State *L, const char *name);

从栈中弹出一个值并赋值给全局 name，它被定义成宏(macro)：

#define lua_setglobal(L,s)   lua_setfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, s)

### lua\_gettop/lua\_settop/lua\_pop

在任何时候，你都可以通过调用lua_gettop函数取得栈顶元素的索引：

int lua_gettop (lua_State *L);

因为索引从1开始计数，lua_gettop的返回值等于这个堆栈的元素个数（当堆栈为空时返回值为0）

void lua_settop (lua_State* L, int index );

lua_settop用于把堆栈的栈顶索引设置为指定的数值，它可以接受所有可接受索引。如果新的栈顶索引比原来的大，则新的位置用nil填充。如果index为0，则将删除堆栈中的所有元素。在lua.h中定义了如下一个宏：

#define lua_pop(L,n) lua_settop(L,-(n)-1)

用以把堆栈上部的n个元素删除。

### lua\_pushvalue/lua\_insert/lua\_remove/lua\_replace

void lua_pushvalue (lua_State* L, int index);
	 void lua_remove (lua_State* L, int index);
	 void lua_insert (lua_State* L, int index);
	 void lua_replace (lua_State* L, int index);

lua_pushvalue压入一个元素的值拷贝到指定的索引处，相反地，lua_remove删除给定索引的元素，并将之一索引之上的元素来填补空缺。同样地，lua_insert在上移给定索引之上的所有元素后再在指定位置插入新元素。Lua_replace将栈顶元素压入指定位置而不移动任何元素（因此指定位置的元素的值被替换）。这些函数都仅接受有效索引（你不应当使用假索引调用lua_remove或lua_insert，因为它不能解析为一个堆栈位置）。下面是一个例子，栈的初始状态为10 20 30 40 50 *（从栈底到栈顶，“*”标识为栈顶，有：

lua_pushvalue(L, 3)    --> 10 20 30 40 50 30*
	lua_pushvalue(L, -1)   --> 10 20 30 40 50 30 30*
	lua_remove(L, -3)      --> 10 20 30 40 30 30*
	lua_remove(L,  6)      --> 10 20 30 40 30*
	lua_insert(L,  1)      --> 30 10 20 30 40*
	lua_insert(L, -1)      --> 30 10 20 30 40*  (没影响)
	lua_replace(L, 2)      --> 30 40 20 30*
	lua_settop(L, -3)      --> 30 40*
	lua_settop(L,  6)      --> 30 40 nil nil nil nil*

### lua\_gettable/lua\_settable

void lua_gettable (lua_State *L, int index);

把 t[k] 压入堆栈，t 是给出的有效的索引 index 的值，k 是栈顶的值，这个函数会从堆栈中弹出 key，并将结果值放到它的位置，和在 Lua 一样，函数可能会触发一个元方法 index 事件。

void lua_settable (lua_State *L, int index);

相当于 t[k]=v，t 是给出的有效的索引 index 的值，v 是堆栈顶部的值，k 是堆栈顶部下面的值。这个函数会从堆栈中弹出 key 和 value 的值，和在 Lua 中一样，函数可能会触发元方法 newindex 事件。

### lua\_concat

void lua_concat (lua_State *L, int n);

用来连接字符串，等价于Lua中的..操作符：自动将数字转换成字符串，如果有必要的时候还会自动调用metamethods。另外，她可以同时连接多个字符串。调用lua_concat(L,n)将连接(同时会出栈)栈顶的n个值，并将最终结果放到栈顶。

### lua\_type/lua\_typename

int lua_type (lua_State *L, int index);

lua_type返回堆栈元素的值类型，当使用无效索引时返回LUA_TNONE（如当堆栈为空的时候），lua_type返回的类型代码为如下在lua.h中定义的常量：LUA_TNIL，LUA_TNUMBER，LUA_TBOOLEAN，LUA_TSTRING，LUA_TTABLE，LUA_TFUNCTION，LUA_USERDATA，LUA_TTHEARD，LUA_TLIGHTUSERDATA。下面的函数可以将这些常量转换为字符串：

const char* lua_typename (lua_State* L, int type);

### lua\_checkstack

当你使用Lua API的时候，你有责任控制堆栈溢出。函数

int lua_checkstack (lua_State *L, ine extra);

将把堆栈的尺寸扩大到可以容纳top+extra个元素；当不能扩大堆栈尺寸到这一尺寸时返回假。这一函数从不减小堆栈的尺寸；当前堆栈的尺寸大于新的尺寸时，它将保留原来的尺寸，并不变化。

### lua\_is***

int lua_isnumber(lua_State *L, int index);
	int lua_isboolean(lua_State *L, int index);
	int lua_isfunction(lua_State *L, int index);
	int lua_istable(lua_State *L, int index);
	int lua_isstring(lua_State *L, int index);
	int lua_isnil(lua_State *L, int index);
	int lua_iscfunction(lua_State *L, int index);

带lua_is*前辍的函数在当堆栈元素对象与给定的类型兼容时返回1，否则返回0。Lua_isboolean是个例外，它仅在元素类型为布尔型时成功（否则没有意思，因为任何值都可看作布尔型）。当使用无效索引时，它们总返回0。Lua_isnumber接受数字或者全部为数字的字符串；lua_isstring打接受字符串和数值，lua_isfunction接受lua函数和C函数；lua_isuserdata也可接受完全和轻量级两种userdata。如果想区分C函数和lua函数，可以使用lua_iscfunction函数；同样地，想区分完全和轻量级userdata可以使用lua_islightuserdata；区分数字和数字组成的字符串可以使用lua_type。

API函数中还有比较堆栈中的两个值 的大小的函数：

int lua_equal(lua_State *L, int index1, int index2);
    int lua_rawequal(lua_State *L, int index1, int index2);
    int lua_lessthan(lua_State *L, int index1, int index2);

lua_equal和lua_lessthan与相对应的lua操作符等价（参考2.5.2）。lua_rawequal直接判断两个值的原始值，而非通过调用元方法来比较。以上的函数当索引无效时返回0。

### lua\_to***

int lua_toboolean(lua_State *L, int index);
	lua_CFunction lua_tocfunction(lua_State *L, int index);
	lua_Integer lua_tointeger(lua_State *L, int index);
	const char *lua_tolstring(lua_State *L, int index);
	lua_Number lua_tonumber(lua_State *L, int index);
	void *lua_topointer(lua_State *L, int index);
	lua_State *lua_tothread(lua_State *L, int index);
	const char *lua_tostring(lua_State *L, int index);

这些函数可通过任意可接受索引调用，如果用无效索引为参数，则和给定值并不匹配类型一样。
lua_toboolean转换指定索引lua值为C“布尔型”值（0或1）。当lua值仅为false或nil时返回0（如果你仅想接受一个真正的布尔值，可以先使用lua_isboolean去测试这个值的类型。

lua_tonumber转换指定索引的值为数字（lua_Number默认为double）。这一lua值必须数字或可转换为数字的字符串（参考2.2.1），否则lua_tonumber返回0。

lua_tostring将指定索引的值转换为字符串（const char*）。lua值必须为字符串或数字，否则返回NULL。当值为数字，lua_tostring将会把堆栈的原值转换为字符串（当lua_tostring应用到键值上时会使lua_next出现难以找出原因的错误）。lua_tostring返回一个完全对齐的字符串指针，这一字符串总是’/0’结尾（和C一样），但可能含有其它的0。如果你不知道一个字符串有多少个0，你可以使用lua_strlen取得真实长度。因为lua有垃圾收集机制，因此不保证返回的字符串指针在对应的值从堆栈中删除后仍然有效。如果你以后还要用到当前函数返回的字符串，你应当备份它或者将它放到registry中（参考3.18）。

lua_tofunction将堆栈中的值转换为C函数指针，这个值必须为C函数指针，否则返回NULL。数据类型lua_CFunction将在3.16节讲述。

lua_tothread转换堆栈中的值为lua线程（以lua_State*为表现形式），此值必须是一个线程，否则返回NULL。

lua_topointer转换堆栈中的值为通用C指针（void*）。这个值必须为userdata、表、线程或函数，否则返回NULL。lua保证同一类型的不同对象返回不同指针。没有直接方法将指针转换为原值，这一函数通常用以获取调试信息。

### lua\_push***

void lua_pushboolean(lua_State *L, int b);
	void lua_pushcclosure (lua_State *L, lua_CFunction fn, int n);
	void lua_pushcfunction(lua_State *L, lua_CFunction f);
	const char *lua_pushfstring (lua_State *L, const char *fmt, ...);
	void lua_pushinteger (lua_State *L, lua_Integer n);
	void lua_pushliteral
	void lua_pushlstring(lua_State *L, const char *s, size_t len);
	void lua_pushnil(lua_State *L);
	void lua_pushnumber(lua_State *L, lua_Number n);
	void lua_pushstring(lua_State *L, const char *s);
	const char *lua_pushvfstring (lua_State *L,
	                          const char *fmt,
	                          va_list argp);

这些函数接受一个C值，并将其转换为对应的lua值，然后将其压入堆栈。lua_pushlstring和lua_pushstring对给定的字符串生成一个可以互转的拷贝，这是个例外。lua_pushstring能压C字符串（即以0结尾并且内部没有0），否则建议使用更通用的lua_pushlstring，它能指定长度。

你同样可以压入“格式化”字符串：

const char *lua_pushfstring  (lua_State *L, const char *fmt, ...);
    const char *lua_pushvfstring (lua_State *L, const char *fmt, va_list argp);

这两个函数向堆栈压入格式化字符串并返回指向字符串的指针。它们跟sprintf和vsprintf很象但有如下的重要不同：

- 你不用申请内存去保存格式化结果，这结果是一个lua字符串并且lua自己会小心管理内存（并通过垃圾收集机制释放）。
- 使用转义字符受限。它们没有标志量、宽度和精确度。转义字符能够是’%%’（插入一个”%”）、’%s’（插入一个以0结尾的字符串）、’%f’（插入一个lua_Number）、’%d’（插入一个int）和’%c’（插入一个用int表示的字符）。

### lua\_register

void lua_register (lua_State *L, const char *name, lua_CFunction f);

设置 C 函数 f 为新的全局变量 name 的值，它被定义为宏(macro)：

#define lua_register(L,n,f)  (lua_pushcfunction(L, f), lua_setglobal(L, n))

### 完整示例

#include <stdio.h>
	#include <string.h>
	#include <lua.hpp>
	#include <lauxlib.h>
	#include <lualib.h>
	
	void
	load(lua_State *L, const char *fname, int *w, int *h) {
		if (luaL_loadfile(L, fname) || lua_pcall(L, 0, 0 ,0)) {
			printf("Error Msg is %s.\n", lua_tostring(L, -1));
			return;
		}
		lua_getglobal(L, "width");	// #define lua_getglobal(L,s) lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, (s))
		lua_getglobal(L, "height");
		if (!lua_isnumber(L, -2)) {
			printf("'width' should be a number\n");
			return;
		}
		if (!lua_isnumber(L, -1)) {
			printf("'height' should be a number\n", );
			return;
		}
		*w = lua_tointeger(L, -2);
		*h = lua_tointeger(L, -1);
	}
	
	int
	main() {
		lua_State *L = luaL_newstate();
		int w, h;
		load(L, "D:/test.lua", &w, &h);
		printf("width = %d, height = %d\n", w, h);
		lua_close(L);
		return 0;
	}

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