Lua 元表魔法

概述

Lua 元表（metatable）通过 __index/__newindex/__call 等元方法实现懒加载、只读表、可调用对象、运算符重载等高级模式，是 Lua 元编程的核心机制。

关键内容

__index 作为函数（懒加载/代理）

-- 懒加载：第一次访问时计算并缓存
local lazy = setmetatable({}, {
    __index = function(t, k)
        local val = expensive_computation(k)
        rawset(t, k, val)  -- rawset 绕过 __newindex，直接写入
        return val
    end
})
-- 第二次访问 lazy.foo 直接返回缓存，不再触发 __index

__newindex 拦截赋值（只读表、校验）

-- 只读表：阻止任何写入
local readonly = setmetatable({x = 1, y = 2}, {
    __newindex = function(t, k, v)
        error("Attempt to modify read-only table: " .. k, 2)
    end
})
-- readonly.x = 99  -- 报错

-- 类型校验表
local typed = setmetatable({}, {
    __newindex = function(t, k, v)
        assert(type(v) == "number", k .. " must be a number")
        rawset(t, k, v)
    end
})

__call 让表可调用

-- 使类直接作为构造器调用
local Vector = setmetatable({}, {
    __call = function(cls, x, y)
        return setmetatable({x=x, y=y}, Vector)
    end
})
Vector.__index = Vector

-- 实例方法
function Vector:length() return math.sqrt(self.x^2 + self.y^2) end
function Vector:__tostring() return string.format("Vec(%g,%g)", self.x, self.y) end

-- v1 = Vector(3, 4)  -- 触发 __call，得到实例

运算符重载

完整的运算符元方法覆盖：

function Vector:__add(b)  return Vector(self.x+b.x, self.y+b.y) end
function Vector:__sub(b)  return Vector(self.x-b.x, self.y-b.y) end
function Vector:__mul(s)
    if type(s) == "number" then return Vector(self.x*s, self.y*s) end
    return self.x*s.x + self.y*s.y  -- 点积（重载为 table 参数时）
end
function Vector:__unm()   return Vector(-self.x, -self.y) end   -- 取负
function Vector:__eq(b)   return self.x==b.x and self.y==b.y end
function Vector:__len()   return self:length() end               -- # 操作符

local v1 = Vector(3, 4)
print(#v1)               -- 5.0
print(v1 + Vector(1,0))  -- Vec(4,4)（借助 __add + __tostring）

__index 链（原型继承 / 默认值）

-- 多级默认值链：实例 → 子类 → 父类 → 全局默认
local defaults = {speed = 100, hp = 100, damage = 10}
local Player = setmetatable({hp = 150}, {__index = defaults})

print(Player.speed)   -- 100（来自 defaults）
print(Player.hp)      -- 150（Player 自己覆盖）

__pairs 自定义迭代（Lua 5.2+）

-- 过滤迭代：跳过负数值
local filtered = setmetatable(data, {
    __pairs = function(t)
        local function iter(t, k)
            local nk, nv = next(t, k)
            while nk and nv < 0 do nk, nv = next(t, nk) end
            return nk, nv
        end
        return iter, t, nil
    end
})
for k, v in pairs(filtered) do print(k, v) end  -- 只打印非负值

关键函数对比

函数	行为
rawget(t, k)	绕过 __index 直接读取
rawset(t, k, v)	绕过 __newindex 直接写入
rawequal(a, b)	绕过 __eq 比较引用
rawlen(t)	绕过 __len 取原始长度

常见陷阱

• __eq 只比较同 metatable 的对象：两个不同 metatable 的 table 用 == 不会触发 __eq
• __index 无限递归：若 __index 函数内访问同一 key 又触发 __index，会栈溢出；用 rawget 避免
• __newindex + rawset：__newindex 内必须用 rawset 写入，否则递归
• 运算符结合律：a + b 优先用 a 的 __add，若不存在则用 b 的，两个都没有才报错

来源

• raw/articles/programming/lua/lua-skill/references/patterns.md — Lua 高级模式参考，元表魔法章节

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