Metatable和Metamethod
Metatable和Metamethod是用来干啥的？它们可以使得表a和b的表达式“a + b”变得有意义，其中metatable使两个不相关的表a和b之间可以进行操作，而操作的具体行为比如说"+"由metamethod来具体定义。
Metatable和Metamethod大多数地方都翻译成“元表”和“元函数”，这是一种直译，相当不直观。根据Metatable的用法，我倾向于将Metatable翻译成关联表，Metamethod翻译成关联函数。通过给两个table设置Metatable可以使两个table产生联系，然后对两个table进行一些操作，具体的操作行为由Metamethod来定义。下面的例子中，在对表t1和t2设置关联表mt，并在mt中定义关联函数__add后，就可以对这两个表进行"+"相加操作了。
t1 = {1, 2, 3}
t2 = {4,5,6,7,8}
mt = {}
mt.__add = function(a, b)
local ret = 0
for _, v in pairs(a) do
ret = ret + v
end
for _, v in pairs(b) do
ret = ret + v
end
return ret
end
setmetatable(t1, mt)
setmetatable(t2, mt)
print(t1 + t2)
从上面的代码中可以看到关联表就是一个表，而关联函数就是一个函数。当碰到表达式"t1+t2"时，Lua首先查找他们的关联表，找到关联表mt后，会在mt中找与相加操作对应的关联函数__add，找到__add后就将t1和t2作为参数来执行该函数，最后返回结果。
下面是一个使用关联表来对集合（用table实现的集合）进行操作的示例，实例中定义了集合的并集、交集、比较等运行：
Set = {} --专门用来作为metatable，定义在Set里面以免影响外部的命名空间 Set.mt = {} --转化为string Set.tostring = function (set) local s = "{" local sep = " " for e in pairs(set) do s = s .. sep .. e sep = ", " end return s.."}" end --打印 Set.print = function(s) print(Set.tostring(s)) end Set.mt.__tostring = Set.tostring --新建一个集合 Set.new = function (t) local set = {} setmetatable(set, Set.mt) --指定所创建集合的metatable for _, l in ipairs(t) do set[l] = true end return set end --并集 Set.union = function (a,b) local res = Set.new{} for k in pairs(a) do res[k] = true end for k in pairs(b) do res[k] = true end return res end --给metatable增加__add函数(metamethod)，当Lua试图对两个集合相加时，将调用这个函数，以两个相加的表作为参数 Set.mt.__add = Set.union --交集 Set.intersection = function (a,b) local res = Set.new{} for k in pairs(a) do res[k] = b[k] end return res end --定义集合相乘操作为求交集 Set.mt.__mul = Set.intersection --先定义"<="操作，然后基于此定义"<"和"=" Set.mt.__le = function (a, b) for k in pairs(a) do if not b[k] then return false end end return true end --小于 Set.mt.__lt = function(a, b) return a<=b and not (b <= a) end --等于 Set.mt.__eq = function(a, b) return a <= b and b <= a end --测试 s1 = Set.new{1, 2, 3} s2 = Set.new{10, 20, 30, 40, 50} print(getmetatable(s1)) print(getmetatable(s2)) s3 = s1 + s2 --等同于Set.union(s1, s2) print(s3) print(s3 * s2) print(s1 <= s3) print(s1 == s3) print(s1 < s3) print(s1 >= s3) print(s1 > s3) --起保护作用，getmetatable将返回这个域的值，而setmettable将会出错 Set.mt.__metatable = "not your business" print(getmetatable(s1)) setmetatable(s1, {})
当Lua试图对两个表进行相加时，他会检查两个表是否有一个表有Metatable，并且检查Metatable是否有__add域。如果找到则调用这个__add函数（所谓的Metamethod）去计算结果。当两个表有不同的Metatable时，以谁的为准呢？Lua选择metamethod的原则：
（1）如果第一个参数存在带有__add域的metatable，Lua使用它作为metamethod，和第二个参数无关；
（2）否则，第二个参数存在带有__add域的metatable，Lua使用它作为metamethod；
（3）否则，报错。
Lua中定义的常用的Metamethod如下所示：
算术运算符的Metamethod：__add（加运算）、__mul（乘）、__sub(减)、__div(除)、__unm(负)、__pow(幂)，__concat（定义连接行为）。
关系运算符的Metamethod：__eq（等于）、__lt（小于）、__le（小于等于），其他的关系运算自动转换为这三个基本的运算。
库定义的Metamethod：__tostring（tostring函数的行为）、__metatable（对表getmetatable和setmetatable的行为）。
注意：__metatable不是函数，而是一个变量。假定你想保护你的集合使其使用者既看不到也不能修改metatables。如果你对metatable设置了__metatable的值，getmetatable将返回这个域的值，而调用用setmetatable将会出错：
注意：相等比较从来不会抛出错误，如果两个对象有不同的metamethod，比较的结果为false，甚至可能不会调用metamethod。这也是模仿了Lua的公共的行为，因为Lua总是认为字符串和数字是不等的，而不去判断它们的值。仅当两个有共同的metamethod的对象进行相等比较的时候，Lua才会调用对应的metamethod。
print总是调用tostring来格式化它的输出，tostring会首先检查对象是否存在一个带有__tostring域的metatable。
表相关的Metamethod:
(1)__index metamethod：在继承中使用较多。当访问表不存在的一个域时，会触发Lua解释器去查找__index metamethod，如果不存在，则返回nil，否则由__index metamethod返回结果。
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__index = function(table, key)
return Window[key]
end
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
print(w.width)
可以看到w没有width域，但有关联表mt，且关联表有__index，因此w.width会触发mt.__index的调用（Lua会将w作为第一个参数、width作为第二个参数来调用该函数）。
__index除了作为一个函数，还可以直接作为一个表来使用当__index是一个表时，Lua会直接在这个表中查找width域。因此代码也可以像这样来写：
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__index = Window
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
print(w.width)
rawget(table, index)函数获取表中指定域的值，该函数可以绕过metamethod，直接返回表的域信息，看下面这个例子：
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__index = function(table, key) return Window[key] end
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
print(w.width) --100
print(rawget(w, "width")) --nil
print(rawget(w, "x")) --10
看上面倒数第二行，rawget(w, "width")访问不存在的域不会触发查找__index。
(2)__newindex metamethod：__newindex metamethod用来对表更新，__index则用来对表访问。
当给表的一个不存在的域赋值时(比如w.add = 1)，会触发Lua查找__newindex，如果不存在__newindex，则像一般的赋值行为一样导致表添加了一个域。
(1)不存在__newindex，则像一般的赋值行为一样导致表添加了一个域(w多了一个域add，值为1)
(2)存在__newindex，则不进行赋值操作，而是由__newindex拦截了赋值操作，并且将(table、域名、值)作为参数调用__newindex。
也就是说，__newindex可以使得任何对表的添加元素的行为都要经过__newindex，这确实是一个很好的把关。
rawset(t, k, v)函数也是一个等同于赋值的操作（w.add = 1相当于rawset(w, "add", 1)），但调用该函数可以绕过metamethod，即不会导致__newindex的调用：
mt = {} mt.__newindex = function(table, key, value) rawset(table, key, value) --这里不能写成table.key = value；因为这个给不存在域的赋值操作又会导致__newindex的调用，因而陷入死循环 end w = {x = 10, y = 20} setmetatable(w, mt) w.add = 1 print(w.add) -- 1
和__index一样，__newindex也可以是一个表，如果__newindex是一个表，会导致对指定的那个表而不是原始的表进行赋值操作。
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__newindex = Window
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
w.add = 1
print(w.add) --nil
print(Window.add) --1
赋值操作导致Windows添加了一个元素add，而w不影响。
当__index和__newindex混合使用时，一定要注意区分每个行为都干了什么事情：
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__index = Window
mt.__newindex = Window
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
w.add = 1
print(w.add) --1
print(Window.add) --1
__newindex为表时，w.add=1表示给Window添加了add，但通过__index，w也能访问到Window的add。
再看下面这个例子：
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__index = function(table, key)
return Window[key]
end
mt.__newindex = function(table, key, value)
rawset(table, key, value)
end
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
w.add = 1
print(w.add) -- 1
print(Window.add) -- nil
__newindex为函数时，w.add直接给w添加了add域，但Window并不存在add。所以结论是：当__newindex是函数时，给目标表w添加域；当__newindex是表时，给指向表添加域。
关于__index和__newindex一定要注意区分，什么时候进入__index，什么时候进入__newindex：
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__index = function(table, key)
print("going here __index")
return Window[key]
end
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
s = w.width -- going here __index 访问语句会进入__index
w.width = 1 -- 赋值语句不会进入__index，这里会导致w表添加width域
print(w.width) -- 1
print(rawget(w, "width")) -- 1
print(Window.width) -- 100
访问语句进入__index，赋值语句不进入__index。
mt = {} mt.__newindex = function(table, key, value) print("going here __newindex") rawset(table, key, value) end w = {x = 10, y = 20} setmetatable(w, mt) s = w.add -- 访问语句不会进入__newindex w.add = 1 -- going here __newindex 赋值语句进入__newindex print(w.add) -- 1 print(rawget(w, "add")) -- 1
赋值语句进入_newindex，访问语句不进入__newindex。
结合上面这两句话就很容易理解下面这个例子了：
Window = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
mt = {}
mt.__index = function(table, key)
print("going here __index")
return Window[key]
end
mt.__newindex = function(table, key, value)
print("going here __newindex")
rawset(table, key, value)
end
w = {x = 10, y = 20}
setmetatable(w, mt)
s = w.width -- going here __index
w.width = 1 -- going here __newindex
print(w.width) -- 1
print(rawget(w, "width")) -- 1
倒数第三条语句w.width = 1不会进入__index，所以会导致给w表添加新的域width。也就是说__index逻辑不会影响__newindex的判断，虽然__index可以访问到域width，但__newindex依然仍未w没有width域。
这些概念非常的绕，而且Lua是一种弱类型化语言，所以对于很多概念的具体行为你一定要自己多加测试，不能够想当然。
