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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