如何快速学会一门编程语言之Lua：库（完）

本文系用户投稿，不代表机核网观点
⚠️ 未经作者授权禁止转载
 
库
虽然说很多数据处理功能，我们都能通过编程语言的数学运算符完成，但那些很常见的，很标准的功能，能有一个标准库还是很不错的。有的语言倾向于提供尽量多的功能，由于人类对于编程的抽象思考在不断进步，总会有更多的新想法被加入软件行业，所以这些库也会越来越大，譬如 Java、C#、Python 都会附带大量各种功能的库。而有的语言则希望提供尽量少的功能，因为这些语言往往是脚本或者虚拟机类型，他们的运行方式，是需要把所有的标准库都一起带上的，所以功能少一点，使用环境部署的环境也会小一点。
数学
大部分语言都会提供数学库，包含指数运算、幂运算、三角函数、自然对数等等。其中对于游戏来说最重要的是随机函数。 Lua 的随机函数是 math.random ([m [, n]])，返回从 m 到 n 的一个随机整数。记得要使用 math.randomseed (x) 可以设置随机种子，一般 x 参数使用 os.time()，通过运行时间的随机作为随机种子。这也让我们可以在多个不同机器上，根据统一的随机种子，生成统一的随机数，这在多人游戏中，通过共用随机种子来生成相同的随机数，从而让多个机器上的游戏表现一致。
math.randomseed(10)
print(math.random(0,9)) --> 6
print(math.random(0,9)) --> 5
print(math.random(0,9)) --> 1

上面这段代码不管什么时候运行，都是固定的这个结果，所谓的伪随机就是这个意思了。
操作系统：
很多语言，都希望能“跨操作系统”，提供给开发者一致的开发体验。把一些操作系统能力都有的部分，通过同样的 API 提供出来。譬如 C 语言可以使用 POSIX(Portable Operating System Interface of UNIX) 库统一的操作各种 UNIX。Java 和 C# 也提供了操作系统的一些基础功能通用库，可以运行在 Linux、Windows、MacOS 上。对于脚本语言来说，这个能力基本上依赖于目标操作系统的解析器的能力了。常见的操作系统能力 API 包含：
读取系统时间
读取命令行参数
读取环境变量
通过操作系统执行一个命令（启动一个程序） 对于 Lua 来说，读取时间戳可以用 os.time() 来完成，这是以秒为单位的。如果需要 CPU 时间做性能报告，可以用 os.clock()；命令行参数前文的例子中有，就是全局变量 arg 这个 table；环境变量读取是 os.getenv(name); 执行命令就是os.execute(cmd_line)。感觉用 Lua 来写 shell 可比用 bash 那些好用多了，只可惜常常需要安装一个 lua 解析器。如果用来写游戏，可能用的最多的是 os.time() 读取时间了。
数据结构
很多其他语言的数据结构库都非常庞大，譬如 java.util 这个包，里面就有链表、二叉树等等一大批。C++ 的 STL 也可以算一种库（模板），也是有各种数据结构。但是 Lua 只用一个 table，就够用了。
对于一些语言来说，字符串也算一种数据结构。几乎所有语言，都带有异常丰富的字符串处理 API，一般会包含：
查找子字符串位置
按位置切分字符串
连接字符串和格式化字符串
以上这些功能，Lua 都有，基本上所有的字符串处理需求，都可以用上面的功能组合而成。除了这些常见的字符串函数，Lua 还提供了 string.pack() 和 string.unpack() 这两个函数。这两个函数实际上是把 string 这种变量，作为一个二进制缓冲区来操作，定义了大量的按照某种二进制编码写入或读出数据的方法。
s = string.pack("i", 1145258561)
print(s) --> ABCD

上面的的例子中的 1145258561，以整数形式（也就是 "i" 格式）写入字节数组中，那四个字节刚好是：65 66 67 68，所以按 ASCII 打印的话，就是 ABCD 这个字符串了。当然你用 string.unpack("i", "ABCD") 也会得到数字 1145258561。这一对函数，就是为了网络传输、文件存储数据使用的。
最后也要提一下的，就是 Lua 也提供了 UTF8 库。一般的 string 里面，长度是按英文的规定，一个字节就是一个字符。而只有 utf8 库，才能真正的区分清楚非英文字符到底应该怎么分。
s = "中文"
print(#s) --> 6 
print(utf8.len(s)) --> 2

在 utf-8 编码中，一个汉字使用三个字节。只有 utf8.len() 才真正的能读懂中文是两个字符。所以，如果要切分包含汉字的字符串，譬如需要截断过长的字符串，怎样才能不把汉字截一半呢？可以看下面的例子：
s="123甲乙丙456天地人"
print(string.sub(s, utf8.offset(s, 4), utf8.offset(s,5) -1)) --> 甲

这里的 utf8.offset(s, 4) 表示返回字符串中第 4 个字符“甲”的“字节位置”，是 4；而 utf8.offset(s, 5)返回的是“乙”的字节位置，是 7。因此按照字节位置来看，要截取第四个字符“甲”，就应该从第 4 字节截取到第 6 字节。尽管 Lua 的截取字符串函数，还是以字节为单位的，但是通过 utf8 库关于字符位置判读的函数，我们还是可以正确的识别出中文等非单字节字符的。
文件和标准输入/输出
大多数语言都会带有文件系统的 API。在很多操作系统上，所有的设备都被抽象成文件，因此用这一套 API 就都可以操作。一般操作文件，都需要经过几个过程：
打开一个文件，指定文件的路径和模式，模式包括读取、写入、追加
对文件进行读写
关闭文件
对于 Lua 来说，读写文本文件尤其简单。
file = io.open("test.txt", "a")
file:write("--test")
file:close()

file = io.open("test.txt", "r")
print(file:read())
file:close()

上面这个代码，每次调用 file:write() 就会写入一行，而调用 file:read() 就会读取一行内容。注意这里用的是冒号 : 的写法，调用 file 变量身上的方法。但是，如果你要读的文件不是文本文件，而是一个图片或者别的什么格式文件呢？每次读一行的话，可能根本就没有分行呢！这种时候可以通过 file:read(1024) 这种用法，一次从文件中读取 1024 个字节的数据出来。file:read() 返回值虽然依然是 string 字符串，但是你可以通过字符串里面的每个字符，通过 string.byte(str, 1, #str) 来返回一个字节列表。
Lua 也提供了所谓“简易”模式，使用 io.input()/io.read()/io.output()/io.write() 这些 API 来读写文件，这些可以去查手册。
 
当然，说都文件我们都不会放过 stdin/stdout/stderr 这三个。这些是操作系统为每个启动的进程默认打开的三个文件，stdin 一般是键盘，stdout、stderr 一般都是屏幕。在 Lua 中，这三个已经打开的文件，调用方法非常直接：io.stdout:write("haha\n")，这样你就在屏幕上打印了 "haha"。io 这个 table，早已准备好了 io.stdin io.stdout io.stderr 了。
网络
TCP/IP 网络功能，现在已经是各家操作系统必备的功能了，提供的所谓 socket 库也是最常见的功能。不过 Lua 并没有按照带这方面的标准库。也许是 Lua 认为自己应该被嵌入在其他带有网络功能的程序中，而不是自己成为一个网络模块。事实上网络功能确实也比较复杂。以小型化著称的 Lua 带上这个功能确实有点奇怪。不过网络上还是有人开发了第三方的网络库，譬如 luasocket，这是一个用 C 语言写给 Lua 使用的网络库，而且它还提供非阻塞的异步方式操作网络，和 Lua 的协程配合使用非常不错。
数据库
现代数据库除了 SQL 操作的关系型数据库以外，还有类似 mongoDB 这种对象数据库。虽然数据库厂商一般会提供自己的操作 API，但是类似 Java 这种语言，也提供了 java.sql 包作为规范，让各家 SQL 数据库都可以用同一种接口使用。
对于 Lua 来说，也是没有带自己的数据库操作库的。不过开源的 LuaSQL 可以在需要的时候下载安装来使用。
和C语言交互
对于任何语言来说，如果某个功能不具备，最后的手段一定是：“调用一个C语言的库”。因为大多数功能，都会有 C 的库。Lua 的解析器本身就是 C 语言写的，所以 Lua 要调用 C 的库，也是一定支持的。如果要让 Lua 调用一个 C 的函数，最简单的做法，就是用 C 写一个动态链接库。然后运行 LUA 解析器的时候，让解析器可以找到这个动态链接库，譬如放在 lua 启动脚本的同一目录，或者任何合法的操作系统动态链接库的加载目录。

   
    
  
   
    
  
   
    
  


当然这个动态链接库里面的 C 代码，是有一定规矩的，才能被 lua 调用：
#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <stdarg.h>
#include <stdlib.h>
#include <lua.h>
#include <lauxlib.h>
#include <lualib.h>

/* 所有注册给Lua的C函数具有
 * "typedef int (*lua_CFunction) (lua_State *L);"的原型。
 */
static int l_sin(lua_State *L)
{   
    // 如果给定虚拟栈中索引处的元素可以转换为数字，则返回转换后的数字，否则报错。
    double d = luaL_checknumber(L, 1);
    lua_pushnumber(L, sin(d));  /* push result */

    /* 这里可以看出，C可以返回给Lua多个结果，
     * 通过多次调用lua_push*()，之后return返回结果的数量。
     */
    return 1;  /* number of results */
}

/* 需要一个"luaL_Reg"类型的结构体，其中每一个元素对应一个提供给Lua的函数。
 * 每一个元素中包含此函数在Lua中的名字，以及该函数在C库中的函数指针。
 * 最后一个元素为“哨兵元素”（两个"NULL"），用于告诉Lua没有其他的函数需要注册。
 */
static const struct luaL_Reg mylib[] = {
    {"mysin", l_sin},
    {NULL, NULL}
};

/* 此函数为C库中的“特殊函数”。
 * 通过调用它注册所有C库中的函数，并将它们存储在适当的位置。
 * 此函数的命名规则应遵循：
 * 1、使用"luaopen_"作为前缀。
 * 2、前缀之后的名字将作为"require"的参数。
 */
extern int luaopen_mylib(lua_State* L)
{
    /* void luaL_newlib (lua_State *L, const luaL_Reg l[]);
     * 创建一个新的"table"，并将"l"中所列出的函数注册为"table"的域。
     */ 
    luaL_newlib(L, mylib);

    return 1;
}

在 lua 里面，我们用下面代码就可以引入这个库了：
--[[ 这里"require"的参数对应C库中"luaopen_mylib()"中的"mylib"。
     C库就放在"a.lua"的同级目录，"require"可以找到。]]
local mylib = require "mylib"

-- 结果与上面的例子中相同，但是这里是通过调用C库中的函数实现。
print(mylib.mysin(3.14 / 2))    --> 0.99999968293183

事实上，好像 LuaSocket 和 LuaSQL 这种第三方库，都是用上面这种方法来实现的。我们安装这些第三方库，实际上也是把这些用 C 写的动态链接库编译好，然后放好而已。
如果你想要自己动手写一些 C 的 LUA 扩展库，还是需要搞明白 lua_State 这个类型具体要怎么操作才行。这里有一整套和 Lua 交互的规则和概念。但是如果你不想去手工的操作 lua_State，还有另外一个选择，就是 SWIG ，这是一个专门设计用来给各种脚本语言，编写 C/C++ 扩展的一套开源框架。你几乎可以随便写一个 C/C++ 的类库，然后通过配置一些到 lua 的配置文件，就可以用 swig 命令自动生成 C 语言源码，并且编译成 Lua 所需要的动态链接库。
我的微信公众号“韩大”里翻译了 SWIG 官方手册和 Lua 有关的大部分章节，可自行查阅。
 
其他
有很多语言，把 HTTP 协议、安全加密功能等方面，都纳入了标准库之中。其实标准库的学习，最重要的是要知道都包含了什么功能，而不是具体怎么使用。因为这些库可能在不停的增加，甚至类似的功能可能有好几个不同的抽象概念的版本。
对于 Lua 来说，也许现在的标准库就是最好的情况，再多的话解析器可能太大了。作为和 C 语言合作的好搭档，大部分复杂的功能完全可以靠 C 的库来封装，加上 SWIG 这类工具，自己动手扩展 Lua 的库也不是难事。
总结
学习 Lua 之旅到此结束。作为脚本语言，需要学习的内容确实比另外一些需要编译的语言要少一点点。不过大部分的功能，Lua 都是具备的，甚至有些还更加简洁精妙。我们不能期望一门语言解决所有的问题，就算这门语言功能很多，但也会带来高昂的学习和使用成本。甚至对于一些复杂的语言来说，并不是所有的语言特性都需要一下子全部掌握，才能干好开发的工作。毕竟编程语言都是工具，了解工具的设计目的，是使用好工具最重要的认识。对于 Lua 来说，这门语言就是用来快速开发，嵌入其他程序使用的，所以灵活的数据结构，可以自己解析自己的反射能力，简洁的语法，就是最重要的部分。