【30天Lua重拾笔记28】进阶议题: Meta Programming

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Meta Programming / 元程序设计

元程序设计（英语：Metaprogramming），又译超程序设计，是指某类电脑程序的编写，这类电脑程序编写或者操纵其它程序（或者自身）作为它们的资料，或者在执行时完成部分本应在编译时完成的工作。多数情况下，与手工编写全部代码相比，程序设计师可以获得更高的工作效率，或者给与程序更大的灵活度去处理新的情形而无需重新编译。 -- 维基百科

简单说，元程序设计，就是让「程序能够编写程序」，改变程序运行的部份行为。Lua本身具有部份如此的能力，举例来说，如果想要建立一组变数A-Z，或许正常会这样子写：

A = 1
B = 2
C = 3
-- ....
Z = 26

但Lua可以有更聪明(hacking)的写法：

for i=65, 65+25 do  -- ASCII Code of A is 65
  print(string.char(i))
  _ENV[string.char(i)] = i - 64 -- 1 to 26
end

还记得_ENV的作用吗？

不过今个儿没打算讨论这麽广泛的的元程序设计。会更专注於Lua本身提供的另一个特殊物件 -- metatable / 元表。

metatable / 元表

metatable是Lua对於table一个特殊的属性。每个table都可以设定另一个table作为其metatable。metatable可以设定/改变该table的部份行为。

`setmetatable`

MetaPyStr = {}
PyStr = {"Hello, "}

setmetatable(PyStr, MetaPyStr)

`getmetatable`

要取的table的元表也非常简单：

meta = getmetatable(PyStr)

改变`table`行为

metatable是用於描述table相关的物件，其可以设定/改变该table的部份行为。举例来说，正常的table使用tostring()或是print()得到的结果可能不那麽好理解：

print(PyStr)
--> table: 0x555de2908880

print(tostring(PyStr))
--> table: 0x555de2908880

可以透过设定元表的__tostring()来改变输出样子：

MetaPyStr = {
  __tostring = function(PyStr)
    return '<PyStr "' .. PyStr[1] .. '">'
  end
}

setmetatable(PyStr, MetaPyStr)

print(PyStr)
--> <PyStr "Hello, ">

跟Python很像对吧！

如果已经保有metatable的存取，其实可以直接改写特性:

function MetaPyStr:__tostring()
  return self[1]
end


print(PyStr)
--> "Hello, "

在之後还会看到弱表，其使用了__mode去描述table的模式。

运算子多载

现在，想要实现Python字串的部份行为:

"Hello, " + "World" # => "Hello, World"
"Hello, " * 3 # => 'Hello, Hello, Hello, '

如果需要实现上面Python字串的行为，需要去改写加法运算(__add)和乘法运算(__mul)

不过在此之前，需要先改写一下PyStr，让其是一个产生PyStr物件的函数。而PyStr物件是一个table，其第一个值为初始化时输入的字串。

function PyStr(str)
  assert(type(str) == 'string',
         'str must is a string')
  local _PyStr = {str}

  setmetatable(_PyStr, MetaPyStr)
  return _PyStr
end

print(PyStr("Hello, "))
--> Hello,

现在可以来正式实现加法运算与乘法运算:

function MetaPyStr:__add(other --[[PyStr]])
  assert(type(other) == "table")
  assert(type(other[1] == 'string'))

  return self[1] .. other[1]
end

function MetaPyStr:__mul(times --[[integer]])
  times =math.tointeger(times)
  assert(times)  -- check times is integer

  local new_PyStr = {self[1]}
  setmetatable(new_PyStr, MetaPyStr) --  set new_PyStr is Pystr

  for _=2,times do
    new_PyStr[1] = new_PyStr[1] .. self[1]
  end

  return new_PyStr
end


hello = PyStr("Hello, ")
world = PyStr("World")

print(hello + world)
--> Hello, World

print(hello * 3)
--> Hello, Hello, Hello,

可以让MetaPyStr本身也可以建立PyStr物件：

function MetaPyStr:new(str --[[string]])
  assert(type(str) == 'string'
         , 'str must is a string')
  local _PyStr = {str}
  setmetatable(_PyStr, self)
  return _PyStr
end


hello = MetaPyStr:new("Hello, ")
print(hello)
--> Hello,

MetaPyStr:new像不像Ruby的用法？
Ruby使用initialize去初始话物件，使用class.new去建立实体。
Lua也可以实现类似设计。有兴趣尝试模拟一下吧！

附带一题，
function MetaPyStr:new这样的语法糖，直接为MetaPyStr添加新的方法，是不是也很像Ruby的开放式类别(Open Classes)。