lua bridge

最近为了总结Lua绑定C/C++对象的各种方法、第三方库和原理，学习了LuaBridge库为Lua绑定C/C++对象，下面是学习笔记，实质是对该库的Reference Manual基本上翻译了一遍，学习过程中测试代码，放在我的github上。

LuaBridge的主要特点
     源码只有头文件，没有.cpp文件，没有MakeFile，使用时只需一个#include即可。
     支持不同的对象生命周期管理模式。
     对Lua栈访问方便并且是类型安全的（type-safe）。
     Automatic function parameter type binding.
     Easy access to Lua objects like tables and functions.
     LuaBridge的API是基于C++模板元编程（template metaprogramming）的。在编译时这些模板自动生成各种Lua API调用，从而可以再Lua脚本中使用C++程序中的类和函数。为了能在C++中使用Lua的数据，比如number,string,table以及方便调用Lua的函数，使用LuaBridge中的LuaRef类，可以方便做到。

LuaBridge设计原则
     由于LuaBridge的设计目标尽可能方便使用，比如只有头文件、没有用到高级C++的语法、不需要配置。因此LuaBridge性能虽足够好，但并不是最好的，比如OOLua（https://code.google.com/p/oolua/）执行效率就比它好，并且它也不像LuaBind（http://www.rasterbar.com/products/luabind.html）那样功能全面。LuaBridge不支持下面特性：
     枚举型常量
     不支持8个以上的函数或方法的调用
     重载函数、方法和构造函数（Overloaded functions, methods, or constructors）
     全局变量（变量必须被包装在命名空间里）
     自动地转换STL容器类型和Table
     在Lua中继承C++类（Inheriting Lua classes from C++ classes）。
     Passing nil to a C++ function that expects a pointer or reference
     Standard containers like std::shared_ptr

在Lua访问C++
     为了在Lua中使用C++中的数据和函数，LuaBridge要求任何需要使用的数据的都需要注册。LuaBridge可以注册下面五种类型数据：
     Namespaces  一个Lua table包含了其他注册信息
     Data  全局变量或静态变量、数据成员或静态数据成员
     Functions  一般函数、成员函数或静态成员函数
     CFunctions  A regular function, member function, or static member function that uses the lua_CFunction calling convention
     Properties  Global properties, property members, and static property members. These appear like data to Lua,but are implemented in C++ using functions to get and set the values.

     Data和Properties在注册时被标记为只读（read-only）。这不同于const，这些对象的值能在C++中修改，但不能在Lua脚本中修改。

Namespaces
     LuaBridge索引的注册都是在一个namespace中，namespace是从lua角度来看的，它实质上就是table，注意这里的namespace不是C++中的namespace，C++的namespace不是一定需要的。LuaBridge的namespace是对Lua脚本来说的，它们被作为逻辑组合工具（logical grouping tool）。为了访问Lua的全局命名空间（global namespace），可以在C++中，这样调用：

getGlobalNamespace (L);

上面的调用会返回一个对象（实质是table）可用来进一步注册，比如：

getGlobalNamespace (L)
    .beginNamespace ("test")

上面的调用就会在Lua的_G中创建一个名为"test"的table，现在这个table还是空的。LuaBridge保留所有以双下划线开头命名的标识，因此__test是无效的命名，尽管这样命名LuaBridge不会报错。我们可以进一步扩展上面的注册：

getGlobalNamespace (L)
       .beginNamespace ("test")
      .beginNamespace ("detail")
      .endNamespace ()
      .beginNamespace ("utility")
      .endNamespace ()
 .endNamespace ();

这样注册后，我们就可以在Lua中使用test, test.detail,和test.utility。这里的引入的endNamespace函数，也会返回一个对象（实质也是table），该对象实质就是上一层namespace，表示当前namespace注册完成。 All LuaBridge functions which create registrations return an object upon which subsequent registrations can be made,allowing for an unlimited number of registrations to be chained together using the dot operator。在一个namespace中，注册相同命名的对象，对于LuaBridge来说是没有定义的行为。一个namespace可以多次使用增加更多的成员。比如下面两段代码是等价的：

getGlobalNamespace (L)
  .beginNamespace ("test")
 .addFunction ("foo", foo)
  .endNamespace ();

getGlobalNamespace (L)
  .beginNamespace ("test")
 .addFunction ("bar", bar)
  .endNamespace ();

和

getGlobalNamespace (L)
  .beginNamespace ("test")
 .addFunction ("foo", foo)
 .addFunction ("bar", bar)
  .endNamespace ();

Data, Properties, Functions, and CFunctions
     Data, Properties, Functions, and CFunctions可以依次使用addVariable,, addProperty, addFunction, and addCFunction来注册。在Lua脚本中调用注册的函数时，LuaBridge会自动地传入相应的参数，并对参数类型转和检查。同样，函数的返回值也会自动处理。当前LuaBridge最多可处理8个参数。Pointers, references, and objectsof class type as parameters are treated specially。如果我们在C++中有以下定义：

int globalVar;
static float staticVar;

std::string stringProperty;
std::string getString () { return stringProperty; }
void setString (std::string s) { stringProperty = s; }

int foo () { return 42; }
void bar (char const*) { }
int cFunc (lua_State* L) { return 0; }

为了在Lua使用这些变量和函数，我们可以按以下方式注册它们：

getGlobalNamespace (L)
  .beginNamespace ("test")
 .addVariable ("var1", &globalVar)
 .addVariable ("var2", &staticVar, false)     // read-only
 .addProperty ("prop1", getString, setString)
 .addProperty ("prop2", getString)            // read only
 .addFunction ("foo", foo)
 .addFunction ("bar", bar)
 .addCFunction ("cfunc", cFunc)
  .endNamespace ();

Variables在注册时，可以通过传递第二个参数为false，确保Variables不会在Lua被修改，默认第二个参数是true。Properties在注册时，若不传递set函数，则在脚本中是read-only。
通过上面注册后，则下面表达式在Lua是有效的：

test        -- a namespace，实质就是一个table，下面都是table中的成员
test.var1   -- a lua_Number variable
test.var2   -- a read-only lua_Number variable
test.prop1  -- a lua_String property
test.prop2  -- a read-only lua_String property
test.foo    -- a function returning a lua_Number
test.bar    -- a function taking a lua_String as a parameter
test.cfunc  -- a function with a variable argument list and multi-return

注意test.prop1和test.prop2引用的C++中同一个变量，然后test.prop2是read-only，因此在脚本中对test.prop2赋值，会导致运行时错误（run-time error）。在Lua按以下方式使用：

test.var1 = 5         -- okay
test.var2 = 6         -- error: var2 is not writable
test.prop1 = "Hello"  -- okay
test.prop1 = 68       -- okay, Lua converts the number to a string.
test.prop2 = "bar"    -- error: prop2 is not writable

test.foo ()           -- calls foo and discards the return value
test.var1 = foo ()    -- calls foo and stores the result in var1
test.bar ("Employee") -- calls bar with a string
test.bar (test)       -- error: bar expects a string not a table

Class Objects
类 的注册是以beginClass或deriveClass开始，以endClass结束。一个类注册完后，还可以使用beginClass重新注册更多的 信息，但是deriveClass只能被使用一次。为了给已经用deriveClass注册的类，注册更多的信息，可以使用beginClass。

class A {
    public:
    A() { printf("A constructor\n");}

    static int staticData;
    static int getStaticData() {return staticData;}

    static float staticProperty;
    static float getStaticProperty () { return staticProperty; }
    static void setStaticProperty (float f) { staticProperty = f; }

    static int staticCFunc (lua_State *L) { return 0; }

    std::string dataMember;

    char dataProperty;
    char getProperty () const { return dataProperty; }
    void setProperty (char v) { dataProperty = v; }


    void func1 () {printf("func1 In Class A\n"); }
    virtual void virtualFunc () {printf("virtualFunc In Class A\n");  }

    int cfunc (lua_State* L) { printf("cfunc In Class A\n");  return 0; }
};

class B : public A {
    public:
    B() { printf("B constructor\n");}

    double dataMember2;

    void func1 () {printf("func1 In Class B\n"); }
    void func2 () { printf("func2 In Class B\n"); }
    void virtualFunc () {printf("virtualFunc In Class B\n");  }
};

int A::staticData = 3;
float A::staticProperty = 0.5;

按下面方式注册：

   getGlobalNamespace (L)
.beginNamespace ("test")
    .beginClass<A>("A")
    .addConstructor <void (*) (void)> ()
    .addStaticData ("staticData", &A::staticData)
    .addStaticProperty ("staticProperty", &A::getStaticData)
    .addStaticFunction ("getStaticProperty", &A::getStaticProperty) //read-only
    .addStaticCFunction ("staticCFunc", &A::staticCFunc)
    .addData ("data", &A::dataMember)
    .addProperty ("prop", &A::getProperty, &A::setProperty)
    .addFunction ("func1", &A::func1)
    .addFunction ("virtualFunc", &A::virtualFunc)
    .addCFunction ("cfunc", &A::cfunc)
    .endClass ()
    .deriveClass<B, A>("B")
    .addConstructor <void (*) (void)> ()
    .addData ("data", &B::dataMember2)
    .addFunction ("func1", &B::func1)
    .addFunction ("func2", &B::func2)
    .endClass ()
.endNamespace ();

注册后，可以再Lua脚本中按一下方式使用：

local AClassObj = test.A ()  --create class A instance

print("before:",test.A.staticData) -- access class A static member
test.A.staticData = 8  -- modify class A static member
print("after:",test.A.staticData)

print("before:", test.A.getStaticProperty())
--test.A.staticProperty = 1.2 --error:can not modify

print("staticCFunc")
test.A.staticCFunc()

AClassObj.data = "sting"
print("dataMember:",AClassObj.data)

AClassObj.prop = 'a'
print("property:",AClassObj.prop)

AClassObj:func1()

AClassObj:virtualFunc()

AClassObj:cfunc()

BClassObj = test.B()

BClassObj:func1()

BClassObj:func2()

BClassObj:virtualFunc()

      
其输出结果为：

A constructor
before: 3
after:  8
before: 0.5
staticCFunc
dataMember:     sting
property:       a
func1 In Class A
virtualFunc In Class A
cfunc In Class A
A constructor
B constructor
func1 In Class B
func2 In Class B
virtualFunc In Class B

类 的方法注册类似于通常的函数注册，虚函数也是类似的，没有特殊的语法。在LuaBridge中，能识别const方法并且在调用时有检测的，因此如果一个 函数返回一个const object或包含指向const object的数据给Lua脚本，则在Lua中这个被引用的对象则被认为是const的，它只能调用const的方法。对于每个类，析构函数自动注册的。 无须在继承类中重新注册已在基类中注册过的方法。If a class has a base class that is **not** registeredwith Lua, there is no need to declare it as a subclass.

Constructors
为 了在Lua中，创建类的对象，必须用addConstructor为改类注册构造函数。并且LuaBridge不能自动检测构造函数的参数个数和类型（这 与注册函数或方法能自动检测是不同的），因此在用注册addConstructor时必须告诉LuaBridge在Lua脚本将用到的构造函数签名，例 如：

struct A {
  A ();
};

struct B {
  explicit B (char const* s, int nChars);
};

getGlobalNamespace (L)
  .beginNamespace ("test")
    .beginClass <A> ("A")
      .addConstructor <void (*) (void)> ()
    .endClass ()
    .beginClass <B> ("B")
      .addConstructor <void (*) (char const*, int)> ()
    .endClass ();
  .endNamespace ()

在Lua中，就可以一些方式，创建A和B的实例:

a = test.A ()           -- Create a new A.
b = test.B ("hello", 5) -- Create a new B.
b = test.B ()           -- Error: expected string in argument 1

lua_State*
有时候绑定的函数或成员函数，需要lua_State*作为参数来访问栈。使用LuaBridge，只需要在将要绑定的函数最后添加lua_State*类型的参数即可。比如：

void useStateAndArgs (int i, std::string s, lua_State* L);
getGlobalNamespace (L).addFunction ("useStateAndArgs", &useStateAndArgs);

在Lua中，就可按以下方式使用：

useStateAndArgs(42,"hello")

在脚本中，只需传递前面两个参数即可。注意 lua_State*类型的参数就放在定义的函数最后，否则结果是未定义的。

Class Object Types
一个注册的类型T，可能以下方式传递给Lua脚本：

`T*` or `T&`:       Passed by reference, with _C++ lifetime_.
`T const*` or `T const&`:   Passed by const reference, with _C++ lifetime_.
`T` or `T const`:       Passed by value (a copy), with _Lua lifetime_.

C++ Lifetime
对于C++ lifetime的对象，其创建和删除都由C++代码控制，Lua GC不能回收这些对象。当Lua通过lua_State*来引用对象时，必须确保该对象还没删除，否则将导致未定义的行为。例如，可按以下方法给Lua传递
C++ lifetime的对象：

A a;

push (L, &a);             // pointer to 'a', C++ lifetime
lua_setglobal (L, "a");

push (L, (A const*)&a);   // pointer to 'a const', C++ lifetime
lua_setglobal (L, "ac");

push <A const*> (L, &a);  // equivalent to push (L, (A const*)&a)
lua_setglobal (L, "ac2");

push (L, new A);          // compiles, but will leak memory
lua_setglobal (L, "ap");

Lua Lifetime

当C++通过值传递给Lua一个对象时，则该对象是Lua lifetime。在值传递时，该对象将在Lua中以userdata形式保存，并且当Lua不再引用该对象时，该对象可以被GC回收。当userdata被回收时，其相应对象的
析构函数也会被调用。在C++中应用lua lifetime的对象时，必须确保该对象还没被GC回收，否则其行为是未定义的。例如，可按以下方法给Lua传递的是Lua lifetime的催下：

B b;

push (L, b);                    // Copy of b passed, Lua lifetime.
lua_setglobal (L, "b");

当在Lua中调用注册的构造函数创建一个对象时，该对象同样是Lua lifetime的，当该对象不在被引用时，GC会自动回收该对象。当然你可以把这个对象引用作为参数传递给C++，但需要保证C++在通过引用使用该对象时，
改对还没有被GC回收。

 Pointers, References, and Pass by Value
当C++对象作为参数从Lua中传回到C++代码中时，LuaBridge会尽可能做自动转换。比如，向Lua中注册了以下C++函数：

void func0 (A a);
        void func1 (A* a);
void func2 (A const* a);
void func3 (A& a);
void func4 (A const& a);

则在Lua中，就可以按以下方式调用上面的函数：

func0 (a)   -- Passes a copy of a, using A's copy constructor.
func1 (a)   -- Passes a pointer to a.
func2 (a)   -- Passes a pointer to a const a.
func3 (a)   -- Passes a reference to a.
func4 (a)   -- Passes a reference to a const a.

上面所有函数，都可以通过a访问对象的成员以及方法。并且通常的C++的继承和指针传递规则也使用。比如：

void func5 (B b);
void func6 (B* b);

在lua中调用：

func5 (b)   - Passes a copy of b, using B's copy constructor.
func6 (b)   - Passes a pointer to b.
func6 (a)   - Error: Pointer to B expected.
func1 (b)   - Okay, b is a subclass of a.

当C++给Lua传递的指针是NULL时，LuaBridge会自动转换为nil代替。反之，当Lua给C++传递的nil，相当于给C++传递了一个NULL指针。