Step By Step(userdata)

在Lua中可以通过自定义类型的方式与C语言代码更高效、更灵活的交互。这里我们通过一个简单完整的示例来学习一下Lua中userdata的使用方式。需要说明的是，该示例完全来自于Programming in Lua。其功能是用C程序实现一个Lua的布尔数组，以提供程序的执行效率。见下面的代码和关键性注释。

  1 #include <lua.hpp>
  2 #include <lauxlib.h>
  3 #include <lualib.h>
  4 #include <limits.h>
  5 
  6 #define BITS_PER_WORD (CHAR_BIT * sizeof(int))
  7 #define I_WORD(i)     ((unsigned int)(i))/BITS_PER_WORD
  8 #define I_BIT(i)      (1 << ((unsigned int)(i)%BITS_PER_WORD))
  9 
 10 typedef struct NumArray {
 11     int size;
 12     unsigned int values[1];
 13 } NumArray;
 14 
 15 extern "C" int newArray(lua_State* L)
 16 {
 17     //1. 检查第一个参数是否为整型。以及该参数的值是否大于等于1.
 18     int n = luaL_checkint(L,1);
 19     luaL_argcheck(L, n >= 1, 1, "invalid size.");
 20     size_t nbytes = sizeof(NumArray) + I_WORD(n - 1) * sizeof(int);
 21     //2. 参数表示Lua为userdata分配的字节数。同时将分配后的userdata对象压入栈中。
 22     NumArray* a = (NumArray*)lua_newuserdata(L,nbytes);
 23     a->size = n;
 24     for (int i = 0; i < I_WORD(n - 1); ++i)
 25         a->values[i] = 0;
 26     //获取注册表变量myarray，该key的值为metatable。
 27     luaL_getmetatable(L,"myarray");
 28     //将userdata的元表设置为和myarray关联的table。同时将栈顶元素弹出。
 29     lua_setmetatable(L,-2);
 30     return 1;
 31 }
 32 
 33 extern "C" int setArray(lua_State* L)
 34 {
 35     //1. Lua传给该函数的第一个参数必须是userdata，该对象的元表也必须是注册表中和myarray关联的table。
 36     //否则该函数报错并终止程序。
 37     NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
 38     int index = luaL_checkint(L,2) - 1;
 39     //2. 由于任何类型的数据都可以成为布尔值，因此这里使用any只是为了确保有3个参数。
 40     luaL_checkany(L,3);
 41     luaL_argcheck(L,a != NULL,1,"'array' expected.");
 42     luaL_argcheck(L,0 <= index && index < a->size,2,"index out of range.");
 43     if (lua_toboolean(L,3))
 44         a->values[I_WORD(index)] |= I_BIT(index);
 45     else
 46         a->values[I_WORD(index)] &= ~I_BIT(index);
 47     return 0;
 48 }
 49 
 50 extern "C" int getArray(lua_State* L)
 51 {
 52     NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
 53     int index = luaL_checkint(L,2) - 1;
 54     luaL_argcheck(L, a != NULL, 1, "'array' expected.");
 55     luaL_argcheck(L, 0 <= index && index < a->size,2,"index out of range");
 56     lua_pushboolean(L,a->values[I_WORD(index)] & I_BIT(index));
 57     return 1;
 58 }
 59 
 60 extern "C" int getSize(lua_State* L)
 61 {
 62     NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
 63     luaL_argcheck(L,a != NULL,1,"'array' expected.");
 64     lua_pushinteger(L,a->size);
 65     return 1;
 66 }
 67 
 68 extern "C" int array2string(lua_State* L)
 69 {
 70     NumArray* a = (NumArray*)luaL_checkudata(L,1,"myarray");
 71     lua_pushfstring(L,"array(%d)",a->size);
 72     return 1;
 73 }
 74 
 75 static luaL_Reg arraylib_f [] = { 
 76     {"new", newArray},
 77     {NULL, NULL} 
 78 }; 
 79 
 80 static luaL_Reg arraylib_m [] = {
 81     {"set", setArray},
 82     {"get", getArray},
 83     {"size", getSize},
 84     {"__tostring", array2string}, //print(a)时Lua会调用该元方法。
 85     {NULL, NULL} 
 86 };
 87 
 88 extern "C" __declspec(dllexport)
 89 int luaopen_testuserdata(lua_State* L)
 90 {
 91     //1. 创建元表，并将该元表指定给newArray函数新创建的userdata。在Lua中userdata也是以table的身份表现的。
 92     //这样在调用对象函数时，可以通过验证其metatable的名称来确定参数userdata是否合法。
 93     luaL_newmetatable(L,"myarray");
 94     lua_pushvalue(L,-1);
 95     //2. 为了实现面对对象的调用方式，需要将元表的__index字段指向自身，同时再将arraylib_m数组中的函数注册到
 96     //元表中，之后基于这些注册函数的调用就可以以面向对象的形式调用了。
 97     //lua_setfield在执行后会将栈顶的table弹出。
 98     lua_setfield(L,-2,"__index");
 99     //将这些成员函数注册给元表，以保证Lua在寻找方法时可以定位。NULL参数表示将用栈顶的table代替第二个参数。
100     luaL_register(L,NULL,arraylib_m);
101     //这里只注册的工厂方法。
102     luaL_register(L,"testuserdata",arraylib_f);
103     return 1;
104 }

　　轻量级userdata：
　　之前介绍的是full userdata，Lua还提供了另一种轻量级userdata(light userdata)。事实上，轻量级userdata仅仅表示的是C指针的值，即(void*)。由于它只是一个值，所以不用创建。如果需要将一个轻量级userdata放入栈中，调用lua_pushlightuserdata即可。full userdata和light userdata之间最大的区别来自于相等性判断，对于一个full userdata，它只是与自身相等，而light userdata则表示为一个C指针，因此，它与所有表示同一指针的light userdata相等。再有就是light userdata不会受到垃圾收集器的管理，使用时就像一个普通的整型数字一样。