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Lua和C語言的交互詳解

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前言

對(duì)于Lua的基礎(chǔ)總結(jié)總算告一段落了,從這篇博文開始,我們才真正的進(jìn)入Lua的世界,一個(gè)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(dāng)Lua遇見了C,那它就展示了它的強(qiáng)大威力。C和Lua是可以相互調(diào)用的。第一種情況是,C語言擁有控制權(quán),Lua是一個(gè)庫,這種形式中的C代碼稱為“應(yīng)用程序代碼”;第二種情況是,Lua擁有控制權(quán),C語言是一個(gè)庫,這個(gè)時(shí)候C代碼就是“庫代碼”?!皯?yīng)用程序代碼”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(duì)Lua代碼的操作。如何操作,操作什么,我們的文章我都會(huì)一一總結(jié)。C API是非常靈活而強(qiáng)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(fù)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(biāo)準(zhǔn)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(cuò)誤消息
        }
    }
 
    lua_close(L);
    return 0;
}

如果你沒有接觸過C API,對(duì)于上面這段代碼,你肯定不會(huì)明白它是干什么的。什么也不說,你運(yùn)行一下吧。然后輸入Lua語句,看看運(yùn)行結(jié)果。

先對(duì)上述代碼引入的幾個(gè)頭文件進(jìn)行解釋一下:

頭文件lua.h定義了Lua提供的基礎(chǔ)函數(shù),包括創(chuàng)建Lua環(huán)境、調(diào)用Lua函數(shù)、讀寫Lua環(huán)境中全局變量,以及注冊(cè)供Lua調(diào)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(gè)使用lua.h中API編寫出的一個(gè)較高的抽象層。Lua的所有標(biāo)準(zhǔn)庫編寫都用到了輔助庫;輔助庫主要用來解決實(shí)際的問題。輔助庫并沒有直接訪問Lua的內(nèi)部,它都是用官方的基礎(chǔ)API來完成所有工作的;

頭文件lualib.h定義了打開標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)lua_State中,所有的C API都要求傳入一個(gè)指向該結(jié)構(gòu)的指針。luaL_newstate函數(shù)用于創(chuàng)建一個(gè)新環(huán)境或狀態(tài)。當(dāng)luaL_newstate創(chuàng)建一個(gè)新的環(huán)境時(shí),新的環(huán)境中并沒有包含預(yù)定義的函數(shù)(eg.print)。為了使Lua保持靈活,小巧,所有的標(biāo)準(zhǔn)庫都被組織到了不同的包中。當(dāng)我們需要使用哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫時(shí),就可以調(diào)用lualib.h中定義的函數(shù)來打開對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)庫;而輔助函數(shù)luaL_openlibs則可以打開所有的標(biāo)準(zhǔn)庫。

頭文件說完了,如果對(duì)代碼中的extern “C”不懂的同學(xué),請(qǐng)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(nèi)容總結(jié)完,再回過頭來看,你會(huì)明白的更徹底。點(diǎn)擊這里去下載完整項(xiàng)目工程。

Lua和C語言通信的主要方法是一個(gè)無處不在的虛擬棧。幾乎所有的API調(diào)用都會(huì)操作這個(gè)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(gè)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(nèi)存;第二種是Lua使用動(dòng)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(gè)虛擬棧。棧中的每個(gè)元素都能保存任何類型的Lua值,當(dāng)在C代碼中要獲取Lua中的一個(gè)值時(shí),只需調(diào)用一個(gè)Lua API函數(shù),Lua就會(huì)將指定值壓入棧中;要將一個(gè)值傳給Lua時(shí),需要先將這個(gè)值壓入棧,然后調(diào)用Lua API,Lua就會(huì)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(gè)特定的函數(shù)。是的,我們的確是這么干的。

Lua嚴(yán)格地按照LIFO規(guī)范來操作這個(gè)棧。但調(diào)用Lua時(shí),Lua只會(huì)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(duì)于每種可以呈現(xiàn)在Lua中的C類型,API都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的壓入函數(shù),我這里把它們都列出來:

復(fù)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(xì)的實(shí)例代碼供參考。由于這個(gè)棧并不是無限大的,當(dāng)向棧中壓入一個(gè)元素時(shí),應(yīng)該確保棧中具有足夠的空間。當(dāng)Lua啟動(dòng)時(shí),或Lua調(diào)用C語言時(shí),棧中至少會(huì)有20個(gè)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(huì)有特殊情況的,如果調(diào)用一個(gè)具有很多參數(shù)的函數(shù),就需要調(diào)用lua_checkstack來檢查棧中是否有足夠的空間。

查詢?cè)?/strong>

API 使用索引來?xiàng)V械脑?。第一個(gè)壓入棧中的元素索引為1,第二個(gè)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(fù)數(shù)來訪問棧中的元素,此時(shí),-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(fù)數(shù)索引,我們可以根據(jù)實(shí)際需求,靈活變通。

為了檢查一個(gè)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(fù)制代碼 代碼如下:

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

實(shí)際上,lua_isnumber不會(huì)檢查值是否為數(shù)字類型,而是檢查值是否能轉(zhuǎn)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(duì)于能轉(zhuǎn)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(shí)候,并不是非常的方便,所以,就出現(xiàn)了一個(gè)lua_type函數(shù),它會(huì)返回棧中元素的類型,每種類型都對(duì)應(yīng)一個(gè)常亮,這些常亮定義在頭文件lua.h中,它們是:
復(fù)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(gè)元素是否為真正的字符串或數(shù)字(無需轉(zhuǎn)換),也可以使用這個(gè)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(gè)值,有以下常用的取值函數(shù):

復(fù)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(diào)用這些函數(shù)也不會(huì)有問題。在這種情況下,lua_toboolean、lua_tonumber、lua_tointeger和lua_objlen會(huì)返回0,而其它函數(shù)會(huì)返回NULL。lua_tolstring函數(shù)會(huì)返回一個(gè)指向內(nèi)部字符串副本的指針,并將字符串的長度存入最后一個(gè)參數(shù)len中。這個(gè)內(nèi)部副本不能修改,返回類型中的const也說明了這點(diǎn)。Lua保證只要這個(gè)對(duì)應(yīng)的字符串還在棧中,那么這個(gè)指針就是有效的。當(dāng)Lua調(diào)用的一個(gè)C函數(shù)返回時(shí),Lua就會(huì)清空它的棧。這就有一條非常重要的規(guī)則:

復(fù)制代碼 代碼如下:

***不要在C函數(shù)之外使用在C函數(shù)內(nèi)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(huì)有一個(gè)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(gè)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(gè)對(duì)象的“長度”。對(duì)于字符串和table,這個(gè)值就是長度操作符“#”的結(jié)果。這個(gè)函數(shù)還可用于獲取一個(gè)“完全userdata”的大小,關(guān)于userdata,后面還會(huì)單獨(dú)總結(jié)。

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(fù)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(gè)函數(shù),lua_gettop函數(shù)返回棧中元素的個(gè)數(shù),也可以說是棧頂元素的索引。lua_settop將棧頂設(shè)置為一個(gè)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(shè)置的更高,那么高出來的這些元素會(huì)被丟棄;反之,會(huì)向棧中壓入nil來補(bǔ)足大??;比如,調(diào)用以下語句就能清空棧:

復(fù)制代碼 代碼如下:

lua_settop(L, 0);

也可以使用負(fù)數(shù)索引來使用lua_settop。lua_pushvalue函數(shù)會(huì)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(bǔ)空缺。lua_insert會(huì)上移指定位置之上的所有元素以開辟一個(gè)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(shè)置到指定索引上,但它不會(huì)移動(dòng)任何東西,只是替換了指定索引的值。說了這么多,總結(jié)了這么多,不來點(diǎn)真槍實(shí)干的,總是覺的很虛,上代碼。點(diǎn)擊這里去下載本篇博文中所有的代碼工程吧。

C API出錯(cuò)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(nèi)的。既然我們無法控制問題的出現(xiàn),但是我們對(duì)問題出現(xiàn)以后的行為進(jìn)行處理,比如:出現(xiàn)問題了,彈出一個(gè)友好的message,這聽起來還是不錯(cuò)的,很多程序都是這么干的。好吧,伙計(jì),如果C API出錯(cuò)了怎么辦呢?

Lua中所有的結(jié)構(gòu)都是動(dòng)態(tài)的,它們會(huì)根據(jù)需要來增長,或者縮小。是的,增長縮小,就涉及到內(nèi)存的開辟與釋放,這有可能會(huì)出錯(cuò)的,雖然我知道這個(gè)概率是很低的,但是對(duì)于程序員來說,對(duì)于任何可能出現(xiàn)問題的地方都要進(jìn)行處理。這里有兩種情況:

1.C調(diào)用Lua代碼;
2.Lua代碼調(diào)用C。

不是所有的API函數(shù)都會(huì)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(yùn)行Lua代碼,由于lua_pcall是在保護(hù)的情況下運(yùn)行l(wèi)ua代碼,如果發(fā)生了內(nèi)存分配錯(cuò)誤,lua_pcall會(huì)返回一個(gè)錯(cuò)誤代碼,并將解釋器封固在一致的狀態(tài);如果要保護(hù)那些與Lua交互的C代碼,可以使用lua_cpcall,這個(gè)函數(shù)類似于lua_pcall。

對(duì)于Lua調(diào)用C,當(dāng)將新的C函數(shù)加入Lua時(shí),可能會(huì)破壞內(nèi)存的結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們?yōu)長ua編寫庫函數(shù)時(shí)(Lua調(diào)用C的函數(shù)),只有一種標(biāo)準(zhǔn)的錯(cuò)誤處理方法。當(dāng)一個(gè)C函數(shù)檢測(cè)到一個(gè)錯(cuò)誤時(shí),它就應(yīng)該調(diào)用lua_error,lua_error函數(shù)會(huì)清理Lua中所有需要清理的東西,然后跳轉(zhuǎn)回發(fā)起執(zhí)行的那個(gè)lua_pcall,并附上一條錯(cuò)誤消息。在后面的博文中,會(huì)有這方面的代碼實(shí)例的。

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