Lua中提供的元表是用于幫助Lua數(shù)據(jù)變量完成某些非預(yù)定義功能的個(gè)性化行為，如兩個(gè)table的相加。假設(shè)a和b都是table，通過元表可以定義如何計(jì)算表達(dá)式a+b。當(dāng)Lua試圖將兩個(gè)table相加時(shí)，它會(huì)先檢查兩者之一是否有元表，然后檢查該元表中是否存在__add字段，如果有，就調(diào)用該字段對應(yīng)的值。這個(gè)值就是所謂的“元方法”，這個(gè)函數(shù)用于計(jì)算table的和。
Lua中每個(gè)值都有一個(gè)元表。table和userdata可以有各自獨(dú)立的元表，而其它數(shù)據(jù)類型的值則共享其類型所屬的單一元表。缺省情況下，table在創(chuàng)建時(shí)沒有元表，如：
t = {}
print(getmetatable(t)) --輸出為nil
這里我們可以使用setmetatable函數(shù)來設(shè)置或修改任何table的元表。
t1 = {}
setmetatable(t,t1)
assert(getmetatable(t) == t1)
任何table都可以作為任何值的元表，而一組相關(guān)的table也可以共享一個(gè)通用的元表，此元表將描述了它們共同的行為。一個(gè)table甚至可以作為它自己的元表，用于描述其特有的行為。在Lua代碼中，只能設(shè)置table的元表，若要設(shè)置其它類型值的元表，則必須通過C代碼來完成。
1. 算術(shù)類的元方法：
在下面的示例代碼中，將用table來表示集合，并且有一些函數(shù)用來計(jì)算集合的并集和交集等。
1 Set = {}
2 local metatable = {} --元表
3
4 --根據(jù)參數(shù)列表中的值創(chuàng)建一個(gè)新的集合
5 function Set.new(l)
6 local set = {}
7 --將所有由該方法創(chuàng)建的集合的元表都指定到metatable
8 setmetatable(set,metatable)
9 for _, v in ipairs(l) do
10 set[v] = true
11 end
12 return set
13 end
14
15 --取兩個(gè)集合并集的函數(shù)
16 function Set.union(a,b)
17 local res = Set.new{}
18 for k in pairs(a) do
19 res[k] = true
20 end
21 for k in pairs(b) do
22 res[k] = true
23 end
24 return res
25 end
26
27 --取兩個(gè)集合交集的函數(shù)
28 function Set.intersection(a,b)
29 local res = Set.new{}
30 for k in pairs(a) do
31 res[k] = b[k]
32 end
33 return res
34 end
35
36 function Set.tostring(set)
37 local l = {}
38 for e in pairs(set) do
39 l[#l + 1] = e
40 end
41 return "{" .. table.concat(l,", ") .. "}";
42 end
43
44 function Set.print(s)
45 print(Set.tostring(s))
46 end
47
48 --最后將元方法加入到元表中，這樣當(dāng)兩個(gè)由Set.new方法創(chuàng)建出來的集合進(jìn)行
49 --加運(yùn)算時(shí)，將被重定向到Set.union方法，乘法運(yùn)算將被重定向到Set.intersection
50 metatable.__add = Set.union
51 metatable.__mul = Set.intersection
52
53 --下面為測試代碼
54 s1 = Set.new{10,20,30,50}
55 s2 = Set.new{30,1}
56 s3 = s1 + s2
57 Set.print(s3)
58 Set.print(s3 * s1)
59
60 --輸出結(jié)果為：
61 --{1, 30, 10, 50, 20}
62 --{30, 10, 50, 20} 在元表中，每種算術(shù)操作符都有對應(yīng)的字段名，除了上述的__add(加法)和__mul(乘法)外，還有__sub(減法)、__div(除法)、__unm(相反數(shù))、__mod(取模)和__pow(乘冪)。此外，還可以定義__concat字段，用于描述連接操作符的行為。
對于上面的示例代碼，我們在算術(shù)運(yùn)算符的兩側(cè)均使用了table類型的操作數(shù)。那么如果為s1 = s1 + 8，Lua是否還能正常工作呢？答案是肯定的，因?yàn)長ua定位元表的步驟為，如果第一個(gè)值有元表，且存在__add字段，那么Lua將以這個(gè)字段為元方法，否則會(huì)再去查看第二個(gè)值否是有元表且包含__add字段，如果有則以此字段為元方法。最后，如果兩個(gè)值均不存在元方法，Lua就引發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤。然而對于上例中的Set.union函數(shù)，如果執(zhí)行s1 = s1 + 8將會(huì)引發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)?不是table對象，不能基于它執(zhí)行pairs方法調(diào)用。為了得到更準(zhǔn)確的錯(cuò)誤信息，我們需要給Set.union函數(shù)做如下的修改，如：
1 function Set.union(a,b)
2 if getmetatable(a) ~= metatable or getmetatable(b) ~= metatable then
3 error("attempt to 'add' a set with a non-set value")
4 end
5 --后面的代碼與上例相同。
6 ... ...
7 end
2. 關(guān)系類的元方法：
元表還可以指定關(guān)系操作符的含義，元方法分別為__eq(等于)、__lt(小于)和__le(小于等于)，至于另外3個(gè)關(guān)系操作符，Lua沒有提供相關(guān)的元方法，可以通過前面3個(gè)關(guān)系運(yùn)算符的取反獲得。見如下示例：
1 Set = {}
2 local metatable = {}
3
4 function Set.new(l)
5 local set = {}
6 setmetatable(set,metatable)
7 for _, v in ipairs(l) do
8 set[v] = true
9 end
10 return set
11 end
12
13 metatable.__le = function(a,b)
14 for k in pairs(a) do
15 if not b[k] then return false end
16 end
17 return true
18 end
19 metatable.__lt = function(a,b) return a <= b and not (b <= a) end
20 metatable.__eq = function(a,b) return a <= b and b <= a end
21
22 --下面是測試代碼：
23 s1 = Set.new{2,4}
24 s2 = Set.new{4,10,2}
25 print(s1 <= s2) --true
26 print(s1 < s2) --true
27 print(s1 >= s1) --true
28 print(s1 > s1) --false 與算術(shù)類的元方法不同，關(guān)系類的元方法不能應(yīng)用于混合的類型。
3. 庫定義的元方法：
除了上述基于操作符的元方法外，Lua還提供了一些針對框架的元方法，如print函數(shù)總是調(diào)用tostring來格式化其輸出。如果當(dāng)前對象存在__tostring元方法時(shí)，tostring將用該元方法的返回值作為自己的返回值，如：
1 Set = {}
2 local metatable = {}
3
4 function Set.new(l)
5 local set = {}
6 setmetatable(set,metatable)
7 for _, v in ipairs(l) do
8 set[v] = true
9 end
10 return set
11 end
12
13 function Set.tostring(set)
14 local l = {}
15 for e in pairs(set) do
16 l[#l + 1] = e
17 end
18 return "{" .. table.concat(l,", ") .. "}";
19 end
20
21 metatable.__tostring = Set.tostring
22
23
24 --下面是測試代碼：
25 s1 = Set.new{4,5,10}
26 print(s1) --{5,10,4} 函數(shù)setmetatable和getmetatable也會(huì)用到元表中的一個(gè)字段(__metatable)，用于保護(hù)元表，如：
1 mt.__metatable = "not your business"
2 s1 = Set.new{}
3 print(getmetatable(s1)) --此時(shí)將打印"not your business"
4 setmetatable(s1,{}) --此時(shí)將輸出錯(cuò)誤信息："cannot change protected metatable"
從上述代碼的輸出結(jié)果即可看出，一旦設(shè)置了__metatable字段，getmetatable就會(huì)返回這個(gè)字段的值，而setmetatable將引發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤。
4. table訪問的元方法：
算術(shù)類和關(guān)系類運(yùn)算符的元方法都為各種錯(cuò)誤情況定義了行為，它們不會(huì)改變語言的常規(guī)行為。但是Lua還提供了一種可以改變table行為的方法。有兩種可以改變的table行為：查詢table及修改table中不存在的字段。
1). __index元方法：
當(dāng)訪問table中不存在的字段時(shí)，得到的結(jié)果為nil。如果我們?yōu)樵搕able定義了元方法__index，那個(gè)訪問的結(jié)果將由該方法決定。見如下示例代碼：
1 Window = {}
2 Window.prototype = {x = 0, y = 0, width = 100, height = 100}
3 Window.mt = {} --Window的元表
4
5 function Window.new(o)
6 setmetatable(o,Window.mt)
7 return o
8 end
9
10 --將Window的元方法__index指向一個(gè)匿名函數(shù)
11 --匿名函數(shù)的參數(shù)table和key取自于table.key。
12 Window.mt.__index = function(table,key) return Window.prototype[key] end
13
14 --下面是測試代碼：
15 w = Window.new{x = 10, y = 20}
16 print(w.width) --輸出100
17 print(w.width1) --由于Window.prototype變量中也不存在該字段，因此返回nil。 最后，Lua為__index元方法提供了一種更為簡潔的表示方式，如：Window.mt.__index = Window.prototype。該方法等價(jià)于上例中的匿名函數(shù)表示方法。相比而言，這種簡潔的方法執(zhí)行效率更高，但是函數(shù)的方法擴(kuò)展性更強(qiáng)。
如果想在訪問table時(shí)禁用__index元方法，可以通過函數(shù)rawget(table,key)完成。通過該方法并不會(huì)加速table的訪問效率。
2). __newindex元方法：
和__index不同的是，該元方法用于不存在鍵的賦值，而前者則用于訪問。當(dāng)對一個(gè)table中不存在的索引賦值時(shí)，解釋器就會(huì)查找__newindex元方法。如果有就調(diào)用它，而不是直接賦值。如果這個(gè)元方法指向一個(gè)table，Lua將對此table賦值，而不是對原有的table賦值。此外，和__index一樣，Lua也同樣提供了避開元方法而直接操作當(dāng)前table的函數(shù)rawset(table,key,value)，其功能類似于rawget(table,key)。
3). 具有默認(rèn)值的table：
缺省情況下，table的字段默認(rèn)值為nil。但是我們可以通過元表修改這個(gè)默認(rèn)值，如：
1 function setDefault(table,default)
2 local mt = {__index = function() return default end }
3 setmetatable(table,mt)
4 end
5 tab = {x = 10, y = 20}
6 print(tab.x,tab.z) --10 nil
7 setDefault(tab,0)
8 print(tab.x,tab.z) --10 0
4). 跟蹤table的訪問：
__index和__newindex都是在table中沒有所需訪問的index時(shí)才發(fā)揮作用的。因此，為了監(jiān)控某個(gè)table的訪問狀況，我們可以為其提供一個(gè)空table作為代理，之后再將__index和__newindex元方法重定向到原來的table上，見如下代碼：
1 t = {} --原來的table
2 local _t = t --保持對原有table的私有訪問。
3 t = {} --創(chuàng)建代理
4 --創(chuàng)建元表
5 local mt = {
6 __index = function(table,key)
7 print("access to element " .. tostring(key))
8 return _t[key] --通過訪問原來的表返回字段值
9 end,
10
11 __newindex = function(table,key,value)
12 print("update of element " .. tostring(key) .. " to " .. tostring(value))
13 _t[key] = value --更新原來的table
14 end
15 }
16 setmetatable(t,mt)
17
18 t[2] = "hello"
19 print(t[2])
20
21 --輸出結(jié)果為
22 --update of element 2 to hello
23 --access to element 2
24 --hello
5). 只讀的table：
通過代理的概念，可以很容易的實(shí)現(xiàn)只讀table。只需跟蹤所有對table的更新操作，并引發(fā)一個(gè)錯(cuò)誤即可，見如下示例代碼：
1 function readOnly(t)
2 local proxy = {}
3 local mt = {
4 __index = t,
5 __newindex = function(t,k,v)
6 error("attempt to update a read-only table")
7 end
8 }
9 setmetatable(proxy,mt)
10 return proxy
11 end
12
13 days = readOnly{"Sunday","Monday","Tuesday","Wednesday","Thursday","Friday","Saturday"}
14 print(days[1])
15 days[2] = "Noday"
16
17 --輸出結(jié)果為：
18 --[[
19 Sunday
20 lua: d:/test.lua:6: attempt to update a read-only table
21 stack traceback:
22 [C]: in function 'error'
23 d:/test.lua:6: in function <d:/test.lua:5>
24 d:/test.lua:15: in main chunk
25 [C]: ?
26 ]]--