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:
{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 <iostream>
#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<<lua_tostring(L,1)<<endl; //转为string并返回
}
if( lua_isnumber(L,2)){
cout<<lua_tonumber(L,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。
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:
在创建时就加入了生命周期管理要用到的簿记信息)
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 <iostream>
#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.c_str()<<endl; //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 = "<<str.c_str()<<endl; //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
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
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 <stdio.h>
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：。）
#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 <stdio.h>
#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。
