Lua与C的交互
Lua 与 C 的交互
Lua是一个嵌入式的语言，它不仅可以是一个独立运行的程序，也可以是一个用来嵌入其它应用的程序库。
C API是一个C代码与Lua进行交互的函数集，它由以下几部分构成：
1、 读写Lua全局变量的函数；
2、 调用Lua函数的函数；
3、 运行Lua代码片段的函数；
4、 注册C函数后可以在Lua中被调用的函数；
在C和LUA之间交互的关键在于一个虚拟栈(virtual stack)，数据交互通过栈进行。操作数据时，首先将数据拷贝到栈上，然后获取数据，栈中的每个数据通过索引值进行定位，索引值为正时表示相对于栈底的偏移索引，索引值为负时表示相对于栈顶的偏移索引。索引值以1或 -1起始值，因此栈顶索引值永远为-1, 栈底索引值永远为1 。 "栈"相当于数据在Lua和C之间的中转地，每种数据都有相应的存取接口 。
另外，还可以使用栈来保存临时变量。栈的使用解决了C和LUA之间两个不协调的问题：
1、 Lua使用自动垃圾收集机制，而C要求显式的分配和释放内存；
2、 Lua使用动态数据类型，而C使用静态类型；
特别注意的是：
1、每当Lua调用C函数时，C函数会使用一个局部栈，这个局部栈与之前的栈，以及其它正在调用的C函数使用的栈都是相互独立的。Lua和C就使用这个局部的栈进行数据交互。
2、当Lua调用C时，栈至少包含LUA_MINSTACK（20）个位置，程序员也可以使用lua_checkstack函数来增加栈的大小。
3、使用伪索引（Pseudo-Indices）来表示一些不在栈中的数据，比如thread环境、C函数环境、registry、C闭包的upvalues。
- thread环境（全局变量也在这里），使用伪索引 LUA_GLOBALSINDEX；
- 运行中的C函数环境，使用伪索引 LUA_ENVIRONINDEX；
- Registry，使用伪索引 LUA_REGISTRYINDEX；
- C闭包的upvalues，可以使用lua_upvalueindex(n)来访问第n个upvalue；
关于Registry：
在C里面如果函数要保存持久状态，只能依靠全局或static变量，但这样C API库就无法为多个LuaState状态同时提供服务（就类似于带有static变量的C函数是不可重入的)。为此Lua提供了一个名为Registry的预定义table，允许C API往Registry里面存储数据。
关于References：
Reference其实就是在一个指定的表t中保存一次lua的数据对象，Refenence本身其实就是表t的索引子，简称RefIndex，当RefIndex作为Refenence时，t[RefIndex]其实就是用户要求引用的lua数据对象。当RefIndex被luaL_unref()回收时，t每一个被回收的RefIndex构成一个单向链表: t[Refindex] = Refindex0, t[Refindex0] = Refindex1, t[Refindex1] = Refindex2 ... t[0] = Refindex。
注意，t[0]始终是指向了空闲链表的头部。每次调用luaL_ref()且回收链表为空时，都会产生一个新的Reference，每次调用luaL_unref()都会销毁一个指定的Reference存入空闲链表中。
C API接口
类型声明
typedef double lua_Number;
typedef ptrdiff_t lua_Integer;
初始化lua状态机
lua_State* lua_open();
lua_State *lua_newstate (lua_Alloc f, void *ud);
lua_newstate 创建一个新的、独立的Lua状态机，如果因为内存不足导致创建失败，返回NULL。参数f 指定内存分配函数，参数ud是传给f 函数的指针。
lua_open 没有指定内存分配函数的功能，不建议再使用。
注意：lua_State表示的一个Lua程序的执行状态，它代表一个新的线程（注意是指Lua中的thread类型，不是指操作系统中的线程），每个thread拥有独立的数据栈以及函数调用链，还有独立的调试钩子和错误处理方法。
销毁lua状态机
void lua_close(lua_State *L);
销毁Lua状态机的所有对象，回收分配的内存。
加载lua库
void luaL_openlibs(lua_State *L);
void luaopen_base(lua_State *L);
void luaopen_package(lua_State *L);
void luaopen_string(lua_State *L);
void luaopen_io(lua_State *L);
void luaopen_table(lua_State *L);
void luaopen_math(lua_State *L);
luaL_openlibs 在给定的Lua状态机中打开所有的标准Lua库；
编译/加载 lua代码
int luaL_dofile(lua_State *L, char *lua_script);
int luaL_dostring (lua_State *L, const char *str);
int lua_load (lua_State *L, lua_Reader reader, void *data,const char *chunkname);
int luaL_loadbuffer (lua_State *L, const char *buff, size_t sz, const char *name);
int luaL_loadfile (lua_State *L, const char *filename);
int luaL_loadstring (lua_State *L, const char *s);
luaL_dofile 加载并执行给定lua文件，成功返回0，错误返回1；
luaL_dostring 加载并执行给定string，成功返回0，错误返回1；
lua_load 加载一段chunk（但并不执行它），并将编译后的代码作为一个函数压入堆栈，如果发生错误，则将错误消息压入堆栈；
luaL_loadbuffer 从一个buffer中加载chunk；
luaL_loadfile从文件加载chunk；
luaL_loadstring从字符串加载chunk；
函数参数检查
void luaL_checkany (lua_State *L, int narg);
int luaL_checkint (lua_State *L, int narg);
lua_Integer luaL_checkinteger (lua_State *L, int narg);
long luaL_checklong (lua_State *L, int narg);
const char *luaL_checklstring (lua_State *L, int narg, size_t *l);
lua_Number luaL_checknumber (lua_State *L, int narg);
int luaL_checkoption (lua_State *L, int narg, const char *def, const char *const lst[]);
const char *luaL_checkstring (lua_State *L, int narg);
void luaL_checktype (lua_State *L, int narg, int t);
void *luaL_checkudata (lua_State *L, int narg, const char *tname);
luaL_checkany 检查函数有多少个（由narg指定）参数；
luaL_checktype 检查函数第narg个参数是否为指定类型；
luaL_checkudata 检查函数第narg个参数是否为name类型的userdata；
luaL_checkint/luaL_checkinterger 等接口非常类似：
以luaL_checkint为例，它是检查函数的第narg个参数类型是否number型，并且返回这个number型参数；
luaL_checkoption 检查函数第narg个参数是否位字符串类型，并且在lst[]（字符串数组）中搜索这个字符串，最后返回匹配的数组下标，如未能匹配，引发一个错误。如果参数def非空，当narg参数不存在或为nil时，就是要def作为搜索串。这个函数的作用是将字符串映射为C的enum类型。
table操作
void lua_createtable (lua_State *L, int narr, int nrec);
void lua_newtable (lua_State *L);
void lua_settable (lua_State *L, int index);
void lua_gettable (lua_State *L, int index);
lua_createtable 创建一个空table并压入堆栈，它会为narr个数组风格元素，和nrec个记录风格元素预分配内存空间。
lua_newtable 创建一个空table，并压入stack，等价于 lua_createtable(L, 0, 0)；
lua_settable 相当于t[k]=v 操作，其中值t由参数index指定，v是栈顶，k是栈顶下一个元素；这个函数会将key和value都弹出栈；
lua_gettable 将t[k]压入堆栈，由参数index指定操作的table，k是栈顶元素。这个函数会弹出栈顶的key，并由t[k]代替；
metatable操作
int luaL_newmetatable (lua_State *L, const char *tname);
void luaL_getmetatable (lua_State *L, const char *tname);
int lua_getmetatable (lua_State *L, int index);
int lua_setmetatable (lua_State *L, int index);
int luaL_getmetafield (lua_State *L, int obj, const char *e);
luaL_newmetatable 在Registry中创建一个key为tname的metatable，并返回1；如果Registry 已经有tname这个key，则返回0；这两种情况都会将metatable压入堆栈；
luaL_getmetatable 将Registry中key为tname的metatable压入堆栈；
luaL_getmetatable 将index处的元表压入堆栈；
lua_setmetatable 弹出栈顶，并将它作为由index指定元素的元表；
luaL_getmetafield 将索引obj处的元素的元表的e字段压入堆栈；
stack操作
void lua_pushboolean (lua_State *L, int b);
void lua_pushcclosure (lua_State *L, lua_CFunction fn, int n);
void lua_pushcfunction (lua_State *L, lua_CFunction f);
const char *lua_pushfstring (lua_State *L, const char *fmt, ...);
void lua_pushinteger (lua_State *L, lua_Integer n);
void lua_pushlightuserdata (lua_State *L, void *p);
void lua_pushliteral (lua_State *L, const char *s);
void lua_pushlstring (lua_State *L, const char *s, size_t len);
void lua_pushnil (lua_State *L);
void lua_pushstring (lua_State *L, const char *s);
lua_pushfstring 将一个格式化字符串压入堆栈，并返回指向这个字符串的指针；
lua_pushlstring 将一个指定大小的字符串压入堆栈；
lua_pushvalue 将栈中指定索引的元素复制一份到栈顶；
值得注意的是，向栈中压入一个元素时，应该确保栈中具有足够的空间，可以调用lua_checkstack来检测是否有足够的空间。
实质上这些API是把C语言里面的值封装成Lua类型的值压入栈中的，对于那些需要垃圾回收的元素（如string、full userdata），在压入栈时，都会在Lua（也就是Lua虚拟机中）生成一个副本，从此不会再依赖于原来的C值。例如lua_pushstring 向栈中压入一个以'\0'结尾的字符串，在C中调用这个函数后，可以任意修改或释放这个字符串，也不会出现问题。
void lua_pop(lua_State *L, int n);
int lua_gettop (lua_State *L);
void lua_concat (lua_State *L, int n);
void lua_getfield (lua_State *L, int index, const char *k);
void lua_setfield (lua_State *L, int index, const char *k);
void lua_getglobal(lua_State *L, char *name);
void lua_setglobal (lua_State *L, const char *name);
void lua_insert (lua_State *L, int index);
void lua_remove (lua_State *L, int index);
void lua_replace (lua_State *L, int index);
int lua_next (lua_State *L, int index);
size_t lua_objlen (lua_State *L, int index);
void luaL_checkstack (lua_State *L, int sz, const char *msg);
lua_pop 从栈中弹出n个元素；
lua_gettop 返回栈顶元素的索引（也即元素个数）；
lua_concat 将栈顶开始的n个元素连接起来，并将它们出栈，然后将结果入栈；
lua_getfield 将t[k]压入堆栈，t由参数index指定在栈中的位置；
lua_setfield 相当于t[k]=v，t由参数index指定在栈中的位置，v是栈顶元素，改函数会将栈顶的value出栈；
lua_getglobal(L,s) 等价于 lua_getfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, s)，注意：栈中LUA_GLOBALSINDEX索引位置处是当前Lua状态机的全局变量环境。
lua_setglobal(L,s) 等价于 lua_setfield(L, LUA_GLOBALSINDEX, s)；
lua_insert 移动栈顶元素到index指定的位置；
lua_remove 移除index处的元素，index之上的元素均下移一个位置；
lua_replace 将栈顶元素移到指定位置，并取代原来的元素，原先的栈顶元素弹出；
lua_next 弹出一个key，然后将t[key]入栈，t是参数index处的table；在利用lua_next遍历栈中的table时，对key使用lua_tolstring尤其需要注意，除非知道key都是string类型。
lua_objlen 返回index处元素的长度，对string，返回字符串长度；对table，返回"#"运算符的结果；对userdata，返回内存大小；其它类型返回0；
luaL_checkstack 增加栈大小（新增sz个元素的空间），如果grow失败，引发一个错误，msg参数传递错误消息。
int lua_isboolean (lua_State *L, int index);
int lua_iscfunction (lua_State *L, int index);
int lua_isfunction (lua_State *L, int index);
int lua_islightuserdata (lua_State *L, int index);
int lua_isnil (lua_State *L, int index);
int lua_isnone (lua_State *L, int index);
int lua_isnoneornil (lua_State *L, int index);
int lua_isnumber (lua_State *L, int index);
int lua_isstring (lua_State *L, int index);
int lua_istable (lua_State *L, int index);
int lua_isthread (lua_State *L, int index);
int lua_isuserdata (lua_State *L, int index);
这些都是栈中指定元素类型检查的接口；
函数调用
void lua_call (lua_State *L, int nargs, int nresults);
int lua_pcall (lua_State *L, int nargs, int nresults, int errfunc);
int lua_cpcall (lua_State *L, lua_CFunction func, void *ud);
lua_call 调用函数，参数nargs指定函数参数个数，参数nresults指定返回值个数。首先，被调函数必须在栈中；其次，函数参数必须是按从左往右的顺序入栈的；函数调用时，所有函数参数都会弹出堆栈。函数返回时，其返回值入栈（第一个返回最最先入栈）。
lua_pcall 以保护模式调用函数，如果发生错误，捕捉它，并将错误消息压入栈，然后返回错误码。
lua_cpcall 以保护模式调用C函数func，参数ud指针指向一个用户自定义数据。
错误处理
int luaL_error (lua_State *L, const char *fmt, ...);
引发一个错误。
类型转换
int lua_toboolean (lua_State *L, int index);
lua_CFunction lua_tocfunction (lua_State *L, int index);
lua_Integer lua_tointeger (lua_State *L, int index);
const char *lua_tolstring (lua_State *L, int index, size_t *len);
lua_Number lua_tonumber (lua_State *L, int index);
const void *lua_topointer (lua_State *L, int index);
const char *lua_tostring (lua_State *L, int index);
lua_State *lua_tothread (lua_State *L, int index);
void *lua_touserdata (lua_State *L, int index);
lua_toboolean 将给定index索引处的元素转换为bool类型（0或1）；
lua_tocfunction 将给定index索引处的元素转换为C函数；
lua_tointeger 将给定index索引处的元素转换为int类型；
lua_tolstring 将给定index索引处的元素转换为char*类型，如果len不为空，同时还设置len为字符串长度；该函数返回的指针，指向的是Lua虚拟机内部的字符串，这个字符串是以'\0'结尾的，但字符串中间也可能包含值为0的字符。
lua_tostring 等价于参数len=NULL时的lua_tolstring；
lua_tonumber 将给定index索引处的元素转换为double类型；
lua_topointer 将给定index索引处的元素转换为void*类型；
lua_tothread 将给定index索引处的元素转换为lua_State*类型（即一个thread）；
lua_touserdata 返回给定index索引处的userdata对应的内存地址；
thread 操作
lua_State *lua_newthread (lua_State *L);
int lua_resume (lua_State *L, int narg);
int lua_yield (lua_State *L, int nresults);
lua_newthread 创建一个新的thread，然后压入堆栈，并返回一个lua_State*指针表示创建的新thread。
新创建的thread与当前thread共享一个全局环境。没有销毁thread的显式调用，它由垃圾收集器负责回收。
C 调用 Lua代码
一个简单的例子：
// test.c #include <stdio.h> #include "lua.h" #include "lualib.h" #include "lauxlib.h" /*the lua interpreter*/ lua_State* L; int luaadd(int x, int y) { int sum; lua_getglobal(L,"add"); lua_pushnumber(L, x); lua_pushnumber(L, y); lua_call(L, 2, 1); sum = (int)lua_tonumber(L, -1); lua_pop(L,1); return sum; } int main(int argc, char *argv[]) { int sum; L = lua_open(); luaL_openlibs(L); luaL_dofile(L, "add.lua"); sum = luaadd(10, 15); printf("The sum is %d \n",sum); lua_close(L); return 0; }
注意：在C代码里面我们要引入三个头文件lua.h，lauxlib.h和lualib.h：
lua.h中定义的是最基础的API；
lauxlib.h中的函数都以luaL_开头，他们是比基础API更抽象的函数；
lualib.h中定义了打开标准类库的API，比如luaL_openlibs(L)。
程序开始用luaL_open()函数创建一个lua_State。lua_State中保存了Lua运行时的所有的状态信息（比如变量的值等），并且所有的Lua的C的API都有一个lua_newstate指针的参数。luaL_open函数会创建一个全新的Lua运行时状态，其中没有任何预先定义好的函数（包括最基本的print函数）。如果需要试用标准类库的话，只要调用luaL_openlibs(L)函数就打开标准类库就可以了。标准类库被分别封装在不同的包中，当你需要使用的时候再引入到代码中，这样做的好处是可以使Lua尽可能的小(嵌入式语言必须要小)，从而可以方便嵌入到其他语言中去。当Lua运行时状态和标准类库都准备完成后，就可以调用luaL_dofile(L,"test.lua")函数来执行Lua脚本。运行结束后，需要调用lua_close(L)来关闭Lua运行时状态。
被调用的test.lua文件：
-- test.lua function add(x,y) return x + y end
编译命令，实际命令需要根据自己的lua环境调整
gcc test.c -o test -llua-5.1 -I /usr/local/include/
执行./test命令的输出：
The sum is 25
另外一个操作table的例子：
int main()
{ lua_State *L = luaL_newstate(); luaL_openlibs(L); lua_newtable(L); lua_pushstring(L, "i am key"); lua_pushstring(L, "i am value"); lua_settable(L, -3); lua_pushstring(L, "i am key"); lua_gettable(L, -2); const char *str = lua_tostring(L, -1); printf("%s", str); lua_close(L); return 0; }
Lua 调用 C 函数
当Lua调用C函数时，也使用了一个与C语言调用Lua时相同的栈。C函数从栈中获取函数参数，并将结果压入栈中。为了在栈中将函数结果与其他值区分开，C函数还应返回其压入栈中的结果个数。
栈不是一个全局性的结构，每个函数都有自己的局部私有栈。当Lua调用一个C函数时，第一个参数总是这个局部栈的索引1。
对于可被Lua调用的C函数而言，其接口必须遵循Lua要求的形式，即
typedef int (*lua_CFunction)(lua_State* L);
接收一个参数Lua_State*，即Lua的状态，返回值表示压入栈中的结果个数。
把要调用的C 函数注册到lua状态机中：
void lua_register (lua_State *L, const char *name, lua_CFunction f);
lua_register 是一个宏：#define lua_register(L,n,f) (lua_pushcfunction(L, f), lua_setglobal(L, n))
其中，参数name是lua中的函数名，f 是C中的函数。
从宏定义可以看出，这个函数的作用是把C函数压入堆栈，并在全局环境中设置Lua函数名；
Lua在require模块的时候，除了搜索 "*.lua" 文件，也会搜索 "*.so" 文件，也就是说，Lua支持加载C/C++语言编译的动态库文件。
// foo.c #include "lua.h" #include "lualib.h" #include "lauxlib.h" static int add(lua_State *L) { int n = lua_gettop(L); /* number of arguments */ lua_Number sum = 0; int i; for (i = 1; i <= n; i++) { if (!lua_isnumber(L, i)) { lua_pushstring(L, "incorrect argument"); lua_error(L); } sum += lua_tonumber(L, i); } lua_pushnumber(L, sum/n); /* first result */ lua_pushnumber(L, sum); /* second result */ return 2; /* number of results */ } int luaopen_foo(lua_State *L) { lua_register(L, "add", add); return 1; }
注意：luaopen_MODULE 函数的后缀是有规则的，必须是模块名称，而lua_register的第二个参数是供Lua代码调用的函数名称，第三个参数是当前C函数；
OK，现在把C代码编译成动态库：
gcc foo.c -shared -fPIC -o foo.so -llua-5.1 -I /usr/local/include/
然后在lua代码里面可以加载该模块：
require("foo")
这条命令会自动加载foo.so库，并调用其中的 luaopen_foo 函数，然后执行里面的函数注册代码，这样接下来就能直接使用那些注册到Lua状态机里面的C函数了。
print(add(14,25,15))
输出结果：
18 54
参考文档：
http://www.lua.org/manual/5.1/manual.html
