Lua和C++交互详细总结

转自：http://cn.cocos2d-x.org/tutorial/show?id=1474

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一、Lua堆栈

要理解Lua和C++交互，首先要理解Lua堆栈。

简单来说，Lua和C/C++语言通信的主要方法是一个无处不在的虚拟栈。栈的特点是先进后出。

在Lua中，Lua堆栈就是一个struct，堆栈索引的方式可是是正数也可以是负数，区别是：正数索引1永远表示栈底，负数索引-1永远表示栈顶。如图：

 lua的栈类似于以下的定义, 它是在创建lua_State的时候创建的:

             TValue stack[max_stack_len]  // 欲知内情可以查 lstate.c 的stack_init函数

    存入栈的数据类型包括数值, 字符串, 指针, talbe, 闭包等, 下面是一个栈的例子:

          

   执行下面的代码就可以让你的lua栈上呈现图中的情况

    lua_pushcclosure(L, func, 0) // 创建并压入一个闭包

    lua_createtable(L, 0, 0)        // 新建并压入一个表

    lua_pushnumber(L, 343)      // 压入一个数字

    lua_pushstring(L, “mystr”)   // 压入一个字符串

 

    这里要说明的是, 你压入的类型有数值, 字符串, 表和闭包[在c中看来是不同类型的值], 但是最后都是统一用TValue这种数据结构来保存的:), 下面用图简单的说明一下这种数据结构:

    

 

    TValue结构对应于lua中的所有数据类型, 是一个{值, 类型} 结构, 这就lua中动态类型的实现, 它把值和类型绑在一起, 用tt记录value的类型, value是一个联合结构, 由Value定义, 可以看到这个联合有四个域, 先说明简单的

        p -- 可以存一个指针, 实际上是lua中的light userdata结构

        n -- 所有的数值存在这里, 不过是int , 还是float

        b -- Boolean值存在这里, 注意, lua_pushinteger不是存在这里, 而是存在n中, b只存布尔

        gc -- 其他诸如table, thread, closure, string需要内存管理垃圾回收的类型都存在这里

        gc是一个指针, 它可以指向的类型由联合体GCObject定义, 从图中可以看出, 有string, userdata, closure, table, proto, upvalue, thread

    从下面的图可以的得出如下结论:

        1. lua中, number, boolean, nil, light userdata四种类型的值是直接存在栈上元素里的, 和垃圾回收无关.

        2. lua中, string, table, closure, userdata, thread存在栈上元素里的只是指针, 他们都会在生命周期结束后被垃圾回收.

 

二、堆栈的操作

因为Lua与C/C++是通过栈来通信，Lua提供了C API对栈进行操作。

我们先来看一个最简单的例子：

#include   
#include <string.h>  
using namespace std;  
   
extern "C"  
{  
    #include "lua.h"  
    #include "lauxlib.h"  
    #include "lualib.h"  
}  
void main()  
{  
    //1.创建一个state  
    lua_State *L = luaL_newstate();  
       
    //2.入栈操作  
    lua_pushstring(L, "I am so cool~");   
    lua_pushnumber(L,20);  
   
    //3.取值操作  
    if( lua_isstring(L,1)){             //判断是否可以转为string  
        cout<1)<//转为string并返回  
    }  
    if( lua_isnumber(L,2)){  
        cout<2)<<endl;  
    }  
   
    //4.关闭state  
    lua_close(L);  
    return ;  
}

可以简单理解为luaL_newstate返回一个指向堆栈的指针，其它看注释应该能懂了吧。

 

其他一些栈操作：

int   lua_gettop (lua_State *L);            //返回栈顶索引（即栈长度）  
void  lua_settop (lua_State *L, int idx);   //                
void  lua_pushvalue (lua_State *L, int idx);//将idx索引上的值的副本压入栈顶  
void  lua_remove (lua_State *L, int idx);   //移除idx索引上的值  
void  lua_insert (lua_State *L, int idx);   //弹出栈顶元素，并插入索引idx位置  
void  lua_replace (lua_State *L, int idx);  //弹出栈顶元素，并替换索引idx位置的值

ua_settop将栈顶设置为一个指定的位置，即修改栈中元素的数量。如果值比原栈顶高，则高的部分nil补足，如果值比原栈低，则原栈高出的部分舍弃。所以可以用lua_settop(0)来清空栈。

 

三、C++调用Lua

我们经常可以使用Lua文件来作配置文件。类似ini，xml等文件配置信息。现在我们来使用C++来读取Lua文件中的变量，table，函数。

 

 lua和c通信时有这样的约定: 所有的lua中的值由lua来管理, c++中产生的值lua不知道, 类似表达了这样一种意思: "如果你(c/c++)想要什么, 你告诉我(lua), 我来产生, 然后放到栈上, 你只能通过api来操作这个值, 我只管我的世界", 这个很重要, 因为:

         "如果你想要什么, 你告诉我, 我来产生"就可以保证, 凡是lua中的变量, lua要负责这些变量的生命周期和垃圾回收, 所以, 必须由lua来创建这些值(在创建时就加入了生命周期管理要用到的簿记信息)

         "然后放到栈上, 你只能通过api来操作这个值", lua api给c提供了一套完备的操作界面, 这个就相当于约定的通信协议, 如果lua客户使用这个操作界面, 那么lua本身不会出现任何"意料之外"的错误.

         "我只管我的世界"这句话体现了lua和c/c++作为两个不同系统的分界, c/c++中的值, lua是不知道的, lua只负责它的世界

 

现在有这样一个hello.lua 文件：

str = "I am so cool"  
tbl = {name = "shun", id = 20114442}  
function add(a,b)  
    return a + b  
end

我们写一个test.cpp来读取它：

#include   
#include <string.h>  
using namespace std;  
   
extern "C"  
{  
    #include "lua.h"  
    #include "lauxlib.h"  
    #include "lualib.h"  
}  
void main()  
{  
    //1.创建Lua状态  
    lua_State *L = luaL_newstate();  
    if (L == NULL)  
    {  
        return ;  
    }  
   
    //2.加载Lua文件  
    int bRet = luaL_loadfile(L,"hello.lua");  
    if(bRet)  
    {  
        cout<<"load file error"<<endl;  
        return ;  
    }  
   
    //3.运行Lua文件  
    bRet = lua_pcall(L,0,0,0);  
    if(bRet)  
    {  
        cout<<"pcall error"<<endl;  
        return ;  
    }  
   
    //4.读取变量  
    lua_getglobal(L,"str");  
    string str = lua_tostring(L,-1);  
    cout<<"str = "<//str = I am so cool~  
   
    //5.读取table  
    lua_getglobal(L,"tbl");   
    lua_getfield(L,-1,"name");  
    str = lua_tostring(L,-1);  
    cout<<"tbl:name = "<//tbl:name = shun  
   
    //6.读取函数  
    lua_getglobal(L, "add");        // 获取函数，压入栈中  
    lua_pushnumber(L, 10);          // 压入第一个参数  
    lua_pushnumber(L, 20);          // 压入第二个参数  
    int iRet= lua_pcall(L, 2, 1, 0);// 调用函数，调用完成以后，会将返回值压入栈中，2表示参数个数，1表示返回结果个数。  
    if (iRet)                       // 调用出错  
    {  
        const char *pErrorMsg = lua_tostring(L, -1);  
        cout << pErrorMsg << endl;  
        lua_close(L);  
        return ;  
    }  
    if (lua_isnumber(L, -1))        //取值输出  
    {  
        double fValue = lua_tonumber(L, -1);  
        cout << "Result is " << fValue << endl;  
    }  
   
    //至此，栈中的情况是：  
    //=================== 栈顶 ===================   
    //  索引  类型      值  
    //   4   int：      30   
    //   3   string：   shun   
    //   2   table:     tbl  
    //   1   string:    I am so cool~  
    //=================== 栈底 ===================   
   
    //7.关闭state  
    lua_close(L);  
    return ;  
}

知道怎么读取后，我们来看下如何修改上面代码中table的值：

// 将需要设置的值设置到栈中  
lua_pushstring(L, "我是一个大帅锅～");  
// 将这个值设置到table中（此时tbl在栈的位置为2）  
lua_setfield(L, 2, "name");

我们还可以新建一个table：

// 创建一个新的table，并压入栈  
lua_newtable(L);  
// 往table中设置值  
lua_pushstring(L, "Give me a girl friend !"); //将值压入栈  
lua_setfield(L, -2, "str"); //将值设置到table中，并将Give me a girl friend 出栈

需要注意的是：堆栈操作是基于栈顶的，就是说它只会去操作栈顶的值。

 

举个比较简单的例子，函数调用流程是先将函数入栈，参数入栈，然后用lua_pcall调用函数，此时栈顶为参数，栈底为函数，所以栈过程大致会是：参数出栈->保存参数->参数出栈->保存参数->函数出栈->调用函数->返回结果入栈。

类似的还有lua_setfield，设置一个表的值，肯定要先将值出栈，保存，再去找表的位置。

 

再不理解可看如下例子：

lua_getglobal(L, "add");        // 获取函数，压入栈中  
lua_pushnumber(L, 10);          // 压入第一个参数  
lua_pushnumber(L, 20);          // 压入第二个参数  
int iRet= lua_pcall(L, 2, 1, 0);// 将2个参数出栈，函数出栈，压入函数返回结果  
lua_pushstring(L, "我是一个大帅锅～");  //   
lua_setfield(L, 2, "name");             // 会将"我是一个大帅锅～"出栈

另外补充一下：

lua_getglobal(L,"var")会执行两步操作：1.将var放入栈中，2.由Lua去寻找变量var的值，并将变量var的值返回栈顶（替换var）。

lua_getfield(L,-1,"name")的作用等价于 lua_pushstring(L,"name") + lua_gettable(L,-2)

 

lua value 和 c value的对应关系

	c	lua
nil	无	{value=0, tt = t_nil}
boolean	int  非0, 0	{value=非0/0， tt = t_boolean}
number	int/float等   1.5	{value=1.5, tt = t_number}
lightuserdata	void*, int*, 各种*  point	{value=point, tt = t_lightuserdata}
string	char  str[]	{value=gco, tt = t_string}   gco=TString obj
table	无	{value=gco, tt = t_table}  gco=Table obj
userdata	无	{value=gco, tt = t_udata} gco=Udata obj
closure	无	{value=gco, tt = t_function} gco=Closure obj

 

可以看出来, lua中提供的一些类型和c中是对应的, 也提供一些c中没有的类型. 其中有一些药特别的说明一下:

        nil值, c中没有对应, 但是可以通过lua_pushnil向lua中压入一个nil值

        注意: lua_push*族函数都有"创建一个类型的值并压入"的语义, 因为lua中所有的变量都是lua中创建并保存的, 对于那些和c中有对应关系的lua类型, lua会通过api传来的附加参数, 创建出对应类型的lua变量放在栈顶, 对于c中没有对应类型的lua类型, lua直接创建出对应变量放在栈顶.

       例如:    lua_pushstring(L, “string”) lua根据"string"创建一个 TString obj, 绑定到新分配的栈顶元素上

                  lua_pushcclosure(L,func, 0) lua根据func创建一个 Closure obj, 绑定到新分配的栈顶元素上

                  lua_pushnumber(L,5) lua直接修改新分配的栈顶元素, 将5赋值到对应的域

                  lua_createtable(L,0, 0)lua创建一个Tabke obj, 绑定到新分配的栈顶元素上

 

       总之, 这是一个 c value –> lua value的流向, 不管是想把一个简单的5放入lua的世界, 还是创建一个table, 都会导致

                  1. 栈顶新分配元素    2. 绑定或赋值

                还是为了重复一句话, 一个c value入栈就是进入了lua的世界, lua会生成一个对应的结构并管理起来, 从此就不再依赖这个c value

        lua value –> c value时, 是通过 lua_to* 族api实现, 很简单, 取出对应的c中的域的值就行了, 只能转化那些c中有对应值的lua value, 比如table就不能to c value, 所以api中夜没有提供 lua_totable这样的接口.

 

四、Lua调用C++

我们分三个方法实现它。

 

方法一：直接将模块写入Lua源码中

在Lua中调用C/C++，我们可以将函数写lua.c中，然后重新编译Lua文件。

编译好后是这样子的：（如图）

然后我们可以在lua.c中加入我们自己的函数。函数要遵循规范（可在lua.h中查看）如下：

typedef int (*lua_CFunction) (lua_State *L);

换句话说，所有的函数必须接收一个lua_State作为参数，同时返回一个整数值。因为这个函数使用Lua栈作为参数，所以它可以从栈里面读取任意数量和任意类型的参数。而这个函数的返回值则表示函数返回时有多少返回值被压入Lua栈。（因为Lua的函数是可以返回多个值的）

 

然后我们在lua.c中加入如下函数：

// This is my function  
static int getTwoVar(lua_State *L)  
{  
    // 向函数栈中压入2个值  
    lua_pushnumber(L, 10);  
    lua_pushstring(L,"hello");  
   
    return 2;  
}  
 
在pmain函数中，luaL_openlibs函数后加入以下代码：
//注册函数  
lua_pushcfunction(L, getTwoVar); //将函数放入栈中  
lua_setglobal(L, "getTwoVar");   //设置lua全局变量getTwoVar

通过查找lua.h

/#define lua_register(L,n,f) (lua_pushcfunction(L, (f)), lua_setglobal(L, (n)))

我们发现之前的注册函数可以这样子写：

lua_register(L,"getTwoVar",getTwoVar);

运行，结果如图：

当然，一般我们不建议去修改别人的代码，更倾向于自己编写独立的C/C++模块，供Lua调用，下面来讲讲如何实现。

 

方法二：使用静态依赖的方式

1. 新建一个空的win32控制台工程，记得在vc++目录中，把lua中的头文件和lib文件的目录包含进来，然后->链接器->附加依赖项->将lua51.lib和lua5.1.lib也包含进来。

2. 在目录下新建一个avg.lua如下：

avg, sum = average(10, 20, 30, 40, 50)  
print("The average is ", avg)  
print("The sum is ", sum)

3.新建test.cpp如下：

#include   
extern "C" {  
#include "lua.h"  
#include "lualib.h"  
#include "lauxlib.h"  
}  
   
/* 指向Lua解释器的指针 */  
lua_State* L;  
static int average(lua_State *L)  
{  
    /* 得到参数个数 */  
    int n = lua_gettop(L);  
    double sum = 0;  
    int i;  
   
    /* 循环求参数之和 */  
    for (i = 1; i <= n; i++)  
    {  
        /* 求和 */  
        sum += lua_tonumber(L, i);  
    }  
    /* 压入平均值 */  
    lua_pushnumber(L, sum / n);  
    /* 压入和 */  
    lua_pushnumber(L, sum);  
    /* 返回返回值的个数 */  
    return 2;  
}  
   
int main ( int argc, char *argv[] )  
{  
    /* 初始化Lua */  
    L = lua_open();  
   
    /* 载入Lua基本库 */  
    luaL_openlibs(L);  
    /* 注册函数 */  
    lua_register(L, "average", average);  
    /* 运行脚本 */  
    luaL_dofile(L, "avg.lua");  
    /* 清除Lua */  
    lua_close(L);  
   
    /* 暂停 */  
    printf( "Press enter to exit…" );  
    getchar();  
    return 0;  
}

执行一下，我们可以得到结果：

大概顺序就是：我们在C++中写一个模块函数，将函数注册到Lua解释器中，然后由C++去执行我们的Lua文件，然后在Lua中调用刚刚注册的函数。

 

看上去很别扭啊有木有。接下来介绍一下dll调用方式。

 

方法三：使用dll动态链接的方式

我们先新建一个dll工程，工程名为mLualib。（因此最后导出的dll也为mLualib.dll）

 

然后编写我们的c++模块，以函数为例，我们先新建一个.h文件和.cpp文件。

 

h文件如下：（如果你不是很能明白头文件的内容，点击这里：http://blog.csdn.net/shun_fzll/article/details/39078971。）

#pragma once  
extern "C" {  
#include "lua.h"  
#include "lualib.h"  
#include "lauxlib.h"  
}  
   
#ifdef LUA_EXPORTS  
#define LUA_API __declspec(dllexport)  
#else  
#define LUA_API __declspec(dllimport)  
#endif  
   
extern "C" LUA_API int luaopen_mLualib(lua_State *L);//定义导出函数

.cpp文件如下：

#include   
#include "mLualib.h"  
static int averageFunc(lua_State *L)  
{  
    int n = lua_gettop(L);  
    double sum = 0;  
    int i;  
   
    /* 循环求参数之和 */  
    for (i = 1; i <= n; i++)  
        sum += lua_tonumber(L, i);  
   
    lua_pushnumber(L, sum / n);     //压入平均值  
    lua_pushnumber(L, sum);         //压入和  
   
    return 2;                       //返回两个结果  
}  
   
static int sayHelloFunc(lua_State* L)  
{  
    printf("hello world!");  
    return 0;  
}  
   
static const struct luaL_Reg myLib[] =   
{  
    {"average", averageFunc},  
    {"sayHello", sayHelloFunc},  
    {NULL, NULL}       //数组中最后一对必须是{NULL, NULL}，用来表示结束      
};  
   
int luaopen_mLualib(lua_State *L)  
{  
    luaL_register(L, "ss", myLib);  
    return 1;       // 把myLib表压入了栈中，所以就需要返回1  
}

不理解没关系，我们先编译它，然后新建一个lua文件，在lua中我们这样子来调用：（调用之前记得把dll文件复制到lua文件目录下）

require "mLualib"  
local ave,sum = ss.average(1,2,3,4,5)//参数对应堆栈中的数据  
print(ave,sum)  -- 3 15  
ss.sayHello()   -- hello world!

成功调用了有木有？我们看到了输出信息。

 

至此都发生了什么呢？梳理一下：

1.我们编写了averageFunc求平均值和sayHelloFunc函数，

2.然后把函数封装myLib数组里面，类型必须是luaL_Reg

3.由luaopen_mLualib函数导出并在lua中注册这两个函数。

 

那么为什么要这样子写呢？实际上当我们在Lua中：

require "mLualib"

这样子写的时候，Lua会这么干：

local path = "mLualib.dll"    
local f = package.loadlib(path,"luaopen_mLualib")   -- 返回luaopen_mLualib函数  
f()                                                 -- 执行

所以当我们在编写一个这样的模块的时候，编写luaopen_xxx导出函数的时候，xxx最好是和项目名一样（因为项目名和dll一样）。

 

需要注意的是：函数参数里的lua_State是私有的，每一个函数都有自己的栈。当一个C/C++函数把返回值压入Lua栈以后，该栈会自动被清空。

 

五、总结 

• Lua和C++是通过一个虚拟栈来交互的。

• C++调用Lua实际上是：由C++先把数据放入栈中，由Lua去栈中取数据，然后返回数据对应的值到栈顶，再由栈顶返回C++。

• Lua调C++也一样：先编写自己的C模块，然后注册函数到Lua解释器中，然后由Lua去调用这个模块的函数。

 

本文不涉及lua语法学习，如果有需要，请移步：http://book.luaer.cn/