FFLIB之FFLUA——C++嵌入Lua&扩展Lua利器
摘要:
在使用C++做服务器开发中，经常会使用到脚本技术，Lua是最优秀的嵌入式脚本之一。Lua的轻量、小巧、概念之简单，都使他变得越来越受欢迎。本人也使用过python做嵌入式脚本，二者各有特点，关于python之后会写相关的文章，python对于我而言更喜欢用来编写工具，我前边一些相关的算法也是用python来实现的。今天主要讲Lua相关的开发技术。Lua具有如下特点：
- Lua 拥有虚拟机的概念，而其全部用标准C实现，不依赖任何库即可编译安装，更令人欣喜的是，整个Lua 的实现代码并不算多，可以直接继承到项目中，并且对项目的编译时间几乎没有什么影响
- Lua的虚拟机是线程安全的，这里讲的线程安全级别指得是STL的线程安全级别，即一个lua虚拟机被一个线程访问是安全的，多个lua虚拟机被多个线程分别访问也是安全的，一个lua虚拟机被多个线程访问是不安全的。
- Lua的概念非常少，数据结构只有table，这样当使用Lua作为项目的配置文件时，即使没有编程功底的策划也可以很快上手编写。
- Lua没有原生的对象，没有class的关键字，这也保障了其概念简单，但是仍然是可以使用Lua面向对象编程的。
- Lua尽管小巧，却支持比较先进的编程范式，lua 中的匿名函数和闭包会让代码写起来更加 优雅和高效，如果某人使用的C++ 编译器还比较老套，不支持C++11，那么可以尽快感受一下lua的匿名函数和闭包。
- Lua是最高效的嵌入式脚本之一（如果不能说最的话，目前证据显示是最）。
- Lua的垃圾回收也可以让C++程序收益匪浅，这也是C++结合脚本技术的重要优势之一。
- Lua 的嵌入非常的容易，CAPI 相对比较简洁，而且文档清晰，当然Lua的Capi需要掌握Lua中独特的堆栈的概念，但仍然足够简单。
- Lua的扩展也非常的容易，将C++是对象、函数导入到lua中会涉及到一些技巧，如果纯粹使用lua CAPI会稍显繁杂，幸运的是一些第三方库简化了这些操作，而FFLUA绝对是最好用的之一。
嵌入Lua：
嵌入lua脚本，必须要把lua脚本载入lua虚拟机，lua中的概念称之为dofile，FFLUA中封装了dofile的操作，由于lua文件可能集中放在某个目录，FFLUA中也提供了设置lua脚本目录的接口：
int add_package_path(const string& str_) int load_file(const string& file_name_) throw (lua_exception_t)
load_file就是执行dofile操作，若出错，则throw异常对象，可以使用exception引用目标对象使用what接口输出代码出错的traceback。
当嵌入lua时，最简单的情况是把lua脚本当成配置使用，那么需要获取lua脚本中的变量和设置lua变量，FFLUA封装了两个接口用于此操作。lua是动态语言，变量可以被赋值为任何lua支持的类型，但C++是强类型的，所以两个接口都是范型的：
template<typenameT>
int get_global_variable(conststring& field_name_, T& ret_);
template<typenameT>
int get_global_variable(constchar* field_name_, T& ret_);
有时需要直接执行一些lua语句，lua中有dostring的概念，FFLUA中封装了单独的接口run_string：
void run_string(constchar* str_) throw (lua_exception_t)
嵌入lua时最一般的情况是调用lua中的函数，lua的函数比C++更灵活，可以支持任意多个参数，若未赋值，自动设置为nil，并且可以返回多个返回值。无论如何，从C++角度讲，当你嵌入lua调用lua函数时，你总希望lua的使用方式跟C++越像越好，你不希望繁复的处理调用函数的参数问题，比如C++数据转换成lua能处理的数据，即无趣又容易出错。正也正是FFLUA需要做到，封装调用lua函数的操作，把赋值参数，调用函数，接收返回值的细节做到透明，C++调用者就像调用普通的C++函数一样。使用FFLUA中调用lua函数使用call接口：
void call(constchar* func_name_) throw (lua_exception_t)
当调用出错时，异常信息记录了traceback。
实际上，FFLUA重载了9个call函数，以来自动适配调用9个参数的lua函数。
template<typename RET> RET call(const char* func_name_) throw (lua_exception_t); ...... template<typename RET, typename ARG1, typename ARG2, typename ARG3, typename ARG4, typename ARG5, typename ARG6, typename ARG7, typename ARG8, typename ARG9> RET call(const char* func_name_, ARG1 arg1_, ARG2 arg2_, ARG3 arg3_, ARG4 arg4_, ARG5 arg5_, ARG6 arg6_, ARG7 arg7_, ARG8 arg8_, ARG9 arg9_) throw (lua_exception_t);
需要注明的是：
- call接口的参数是范型的，自动会使用范型traits机制转换成lua类型，并push到lua堆栈中
- call接口的返回值也是范式的，这就要求使用call时必须提供返回值的类型，如果lua函数不返回值会怎样？lua中有个特性，只有nil和false的布尔值为false，所以当lua函数返回空时，你仍然可以使用bool类型接收参数，只是调用者忽略其返回值就行了。
- call只支持一个返回值，虽然lua可以返回多个值，但是call会忽略其他返回值，这也是为了尽可能像是调用C++函数，若要返回多个值，完全可以用table返回。
扩展LUA：
这也是非常重要的操作，嵌入lua总是和扩展lua相伴相行。lua若要操作C++中的对象或函数，那么必须先把C++对应的接口注册都lua中。Lua CAPI提供了一系列的接口拥有完成此操作，但是关于堆栈的操作总是会稍显头疼，fflua极大的简化了注册C++对象和接口的操作，可以说是最简单的注册方式之一（如果不准说最的话）。首先我们整理一下需要哪些注册操作：
- C++ 静态函数注册为lua中的全局函数，这样在lua中调用C++函数就像是调用C++全局函数
- C++对象注册成Lua中的对象，可以通过new接口在lua中创建C++对象
- C++类中的属性注册到lua，lua访问对象的属性就像是访问table中的属性一样。
- C++类中的函数注册到lua中，lua调用其接口就像是调用talbe中的接口一样。
FFLUA中提供了一个范型接口，适配于注册C++相关数据：
template<typename T> void fflua_t::reg(T a) { a(this->get_lua_state()); }
这样，若要对lua进行注册操作，只需要提供一个仿函数即可，这样可以批量在注册所有的C++数据，当然FFLUA中提供了工具类用于生成仿函数中应该完成的注册操作：
template<typename CLASS_TYPE = op_tool_t, typename CTOR_TYPE = void()> class fflua_register_t { public: fflua_register_t(lua_State* ls_):m_ls(ls_){} fflua_register_t(lua_State* ls_, const string& class_name_, string inherit_name_ = ""); template<typename FUNC_TYPE> fflua_register_t& def(FUNC_TYPE func, const string& s_) { fflua_register_router_t<FUNC_TYPE>::call(this, func, s_); return *this; } };
刚才提到的像lua中的所有注册操作，都可以使用def操作完成。 示例如下：
//! 注册子类，ctor(int) 为构造函数， foo_t为类型名称， base_t为继承的基类名称 fflua_register_t<foo_t, ctor(int)>(ls, "foo_t", "base_t") .def(&foo_t::print, "print") //! 子类的函数 .def(&foo_t::a, "a"); //! 子类的字段
尤其特别的是，C++中的继承可以在注册到lua中被保持这样注册过基类的接口，子类就不需要重复注册。
高级特性：
通过以上的介绍，也许你已经了解了FFLUA的设计原则，即：当在编写C++代码时，希望使用LUA就像使用C++本地的代码一样，而在lua中操作C++的数据和接口的时候，又希望C++用起来完全跟table一个样。这样可以大大减轻程序开发的工作，从而把精力更多放大设计和逻辑上。那么做到如何lua才算像C++，C++做到如何才算像lua呢？我们知道二者毕竟相差甚远，我们只需要把常见的操作封装成一直即可，不常见操作则特殊处理。常见操作有：
- C++ 调用lua函数，FFLUA已经封装了call函数，保障了调用lua函数就像调用本地C++函数一样方便
- C++注册接口和对象到lua中，lua中操作对象就像操作table一样直接。
- C++中除了自定义对象，STL是用的最多的了，C++希望lua中能够接收STL的参数，或者能够返回STL数据结构
- Lua中只有table数据结构，Lua希望C++的参数的数据结构支持table，并且lua可以直接把table作为返回值。
- C++的指针需要传递到lua中，同时也希望某些操作，lua可以把C++对象指针作为返回值
以上前两者已经介绍了，而后三者FFLUA也是给予 完美支持。通过范型的C++封装，可以将C++ STL完美的转换成luatable，同时在lua返回table的时候，自动根据返回值类型将lua的table转换成C++ STL。FFLUA中只要被注册过的C++对象，都可以把其指针作为参数赋值给lua，甚至在lua中保存。当我讲述以上特性的时候，都是在保证类型安全的前提下。重要的类型检查有：
- STL转成Luatable时，STL中的类型必须是lua支持的，包括基本类型和已经注册过的C++对象指针。并且STL可以嵌套使用，如vector<list<int> >, 不要惊讶，这是支持的，不管嵌套多少层，都是支持的，使用C++模板的递归机制，该特性得到了完美支持。vector、list、set都会转换成table的数组模式，key从1开始累加。而map类型自动适配为table字典。
- LUA中的table可以被当成返回值转换成C++ STL，转换跟上边刚好是对应的，当然有一个限制，由于C++的STL类型必须是唯一的，如vector<int>的返回值就要求lua中的table所有值都是int。否则FFLUA会返回出错，并提示类型转换失败
- 无论死调用lua中使用C++对象指针，还是LuA中返回C++对象指针，该对象必须是lua可以识别的，即已经被注册的，否则FFLUA会提示转换类型失败。
关于重载：
关于重载LUA 可以使用lua中内部自己的reload，也可以将fflua对象销毁后，重先创建一个，创建fflua对象的开销和创建lua虚拟机的开销一直，不会有附加开销。
总结：
- FFLUA是简化C++嵌入绑定lua脚本的类库
- FFLUA只有三个头文件，不依赖除lua之外的任何的类库，开发者可以非常容易的使用FFLUA
- FFLUA 对于常用的STL数据结构进行了支持
- FFLUA 即使拥有了这么多特性，仍然保持了轻量，只要用过C++，只要用过lua，FFLUA的代码就可以非常清晰的看清其实现，当你了解其内部实现时，你会发现FFLUA已经做到了极简，范型模板展开后的代码就跟你自己原生LUA CAPI 编写的一样直接。
- FFLUA的开源代码：https://github.com/fanchy/fflua
完整的C++示例代码：
#include <iostream> #include <string> #include <assert.h> using namespace std; #include "lua/fflua.h" using namespace ff; class base_t { public: base_t():v(789){} void dump() { printf("in %s a:%d\n", __FUNCTION__, v); } int v; }; class foo_t: public base_t { public: foo_t(int b):a(b) { printf("in %s b:%d this=%p\n", __FUNCTION__, b, this); } ~foo_t() { printf("in %s\n", __FUNCTION__); } void print(int64_t a, base_t* p) const { printf("in foo_t::print a:%ld p:%p\n", (long)a, p); } static void dumy() { printf("in %s\n", __FUNCTION__); } int a; }; //! lua talbe 可以自动转换为stl 对象 void dumy(map<string, string> ret, vector<int> a, list<string> b, set<int64_t> c) { printf("in %s begin ------------\n", __FUNCTION__); for (map<string, string>::iterator it = ret.begin(); it != ret.end(); ++it) { printf("map:%s, val:%s:\n", it->first.c_str(), it->second.c_str()); } printf("in %s end ------------\n", __FUNCTION__); } static void lua_reg(lua_State* ls) { //! 注册基类函数, ctor() 为构造函数的类型 fflua_register_t<base_t, ctor()>(ls, "base_t") //! 注册构造函数 .def(&base_t::dump, "dump") //! 注册基类的函数 .def(&base_t::v, "v"); //! 注册基类的属性 //! 注册子类，ctor(int) 为构造函数， foo_t为类型名称， base_t为继承的基类名称 fflua_register_t<foo_t, ctor(int)>(ls, "foo_t", "base_t") .def(&foo_t::print, "print") //! 子类的函数 .def(&foo_t::a, "a"); //! 子类的字段 fflua_register_t<>(ls) .def(&dumy, "dumy"); //! 注册静态函数 } int main(int argc, char* argv[]) { fflua_t fflua; try { //! 注册C++ 对象到lua中 fflua.reg(lua_reg); //! 载入lua文件 fflua.add_package_path("./"); fflua.load_file("test.lua"); //! 获取全局变量 int var = 0; assert(0 == fflua.get_global_variable("test_var", var)); //! 设置全局变量 assert(0 == fflua.set_global_variable("test_var", ++var)); //! 执行lua 语句 fflua.run_string("print(\"exe run_string!!\")"); //! 调用lua函数, 基本类型作为参数 int32_t arg1 = 1; float arg2 = 2; double arg3 = 3; string arg4 = "4"; fflua.call<bool>("test_func", arg1, arg2, arg3, arg4); //! 调用lua函数，stl类型作为参数， 自动转换为lua talbe vector<int> vec; vec.push_back(100); list<float> lt; lt.push_back(99.99); set<string> st; st.insert("OhNIce"); map<string, int> mp; mp["key"] = 200; fflua.call<string>("test_stl", vec, lt, st, mp); //! 调用lua 函数返回 talbe，自动转换为stl结构 vec = fflua.call<vector<int> >("test_return_stl_vector"); lt = fflua.call<list<float> >("test_return_stl_list"); st = fflua.call<set<string> >("test_return_stl_set"); mp = fflua.call<map<string, int> >("test_return_stl_map"); //! 调用lua函数，c++ 对象作为参数, foo_t 必须被注册过 foo_t* foo_ptr = new foo_t(456); fflua.call<bool>("test_object", foo_ptr); //! 调用lua函数，c++ 对象作为返回值, foo_t 必须被注册过 assert(foo_ptr == fflua.call<foo_t*>("test_ret_object", foo_ptr)); //! 调用lua函数，c++ 对象作为返回值, 自动转换为基类 base_t* base_ptr = fflua.call<base_t*>("test_ret_base_object", foo_ptr); assert(base_ptr == foo_ptr); } catch (exception& e) { printf("exception:%s\n", e.what()); } return 0; }
完整的LUA示例代码：
test_var = 99 function dump_table(tb, str) if nil == str then str = "" end for k, v in pairs(tb) do print(str, k, v) end end -- 测试调用lua function test_func(arg1, arg2, arg3, arg4) print("in test_func:", arg1, arg2, arg3, arg4) mp = {["k"] = "v"} vc = {1,2,3} lt = {4,5,6} st = {7,8,9} dumy(mp, vc, lt, st) end -- 接受stl参数 function test_stl(vec, lt, st, mp) print("--------------dump_table begin ----------------") dump_table(vec, "vec") dump_table(lt, "lt") dump_table(st, "st") dump_table(mp, "mp") print("--------------dump_table end ----------------") return "ok" end -- 返回stl 参数 function test_return_stl_vector() return {1,2,3,4} end function test_return_stl_list() return {1,2,3,4} end function test_return_stl_set() return {1,2,3,4} end function test_return_stl_map() return { ["key"] = 124 } end -- 测试接受C++对象 function test_object(foo_obj) --测试构造 base = base_t:new() -- 每个对象都有一个get_pointer获取指针 print("base ptr:", base:get_pointer()) -- 测试C++对象函数 foo_obj:print(12333, base) base:delete() --基类的函数 foo_obj:dump() -- 测试C++ 对象属性 print("foo property", foo_obj.a) print("base property", foo_obj.v) end -- 测试返回C++对象 function test_ret_object(foo_obj) return foo_obj end -- 测试返回C++对象 function test_ret_base_object(foo_obj) return foo_obj end
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