Lua 教程

此教程基于 Programming in Lua, 4th edition。

因为在 Slurm 集群负载调度器 部署中，会用到用 Lua 实现的 Lmod 这个环境模块系统，故有必要了解 Lua 这门编程语言。

前言

早在 1993 年，当 Waldemar、Luiz 和我（作者）开始开发 Lua 时，我们很难想象，他会像现在这样传播开来。起初，Lua 只是为两个特定项目，开发的内部语言，而现在，他已被广泛应用于嵌入式系统、移动设备、物联网、游戏等，所有能够从简单、可扩展、可移植和高效的脚本语言受益的领域。

Lua 从一开始，就是为与 C 语言，及其他传统语言编写的软件集成，而设计的。这种语言双重性，带来了许多好处。Lua 是一种微小，且简单的语言，部分原因是他并不试图，做 C 语言已经擅长的事情，譬如纯粹的性能、底层操作，或与第三方软件的接口。Lua 依靠 C 语言，完成这些任务。Lua 所提供的，是 C 语言所不擅长的：与硬件保持良好距离、动态的结构、无冗余、易于测试和调试。为此，Lua 拥有安全的环境、自动内存管理，以及处理字符串及其他动态数据的强大功能。

除了是一门可扩展的语言，Lua 还是一门 胶水语言，glue language。Lua 支持基于组件的软件开发方法，a component-based approach to software development，我们通过将现有的高级组件粘合在一起，来创建出应用程序。通常，这些组件是用 C 或 C++ 等静态类型语言，编写编译的；Lua 是我们用来组成，和连接这些组件的胶水。通常，组件（或对象）代表了更具体、更低级的概念（如视窗小部件及数据结构），这些具体、低级概念，在程序开发过程中不会有太多变化，并占用了最终程序的大部分 CPU 时间。Lua 提供了应用程序的最终形态，在产品的生命周期内，他们则可能会发生很大变化。不过，与其他胶水技术不同，Lua 本身也是一种成熟的语言。因此，我们不仅可以使用 Lua 来粘合组件，还可以调整和重塑组件，甚至创建出全新组件。

当然，Lua 并不是唯一的脚本语言，scripting language。咱们还可以使用其他语言，来实现大致相同的目的，例如 Perl、Tcl、Ruby、Forth 与 Python 等。Lua 有别于这些语言的特点如下；虽然其他语言与 Lua 共享了其中一些特点，但并没有其他语言，提供了类似的功能：

• 可扩展能力，extensibility：Lua 的可扩展性非常出色，以至许多人认为，Lua 不是一门语言，而是一种用于构建特定领域语言，domain-specific languages，的工具包。Lua 从一开始，就被设计成可以通过 Lua 代码，和外部 C 代码进行扩展。作为概念验证，他通过外部库，实现了自身的大部分基本功能。将 Lua 与 C/C++，以及其他语言（如 Fortran、Java、Smalltalk、Ada，甚至其他脚本语言）连接起来，非常容易；

• 简洁，simplicity：Lua 是一门简单而小巧的语言。他的概念很少（但功能强大）。这种简洁性使 Lua 易于学习，并有助于小型实施。他的完整发行版（源代码、手册以及某些平台的二进制文件）可轻松放入软盘中；

• 高效率，efficiency：Lua 的实现相当高效。独立的基准测试表明，Lua 是脚本（解释型）语言领域，速度最快的语言之一；

• 可移植性，portability：在谈论可移植性时，我们并不是在谈论，同时在 Windows 和 Unix 平台上运行 Lua。我们指的是在我们听说过的所有平台上运行 Lua： NextStep、OS/2、PlayStation II（索尼）、Mac OS-9 和 OS X、BeOS、MS-DOS、IBM 大型机、EPOC、PalmOS、MCF5206eLITE 评估板、RISC OS，当然还有各种 Unix 和 Windows。这些平台的源代码几乎相同。Lua 不使用条件编译，来使代码适应不同的机器；相反，他坚持使用标准 ANSI (ISO) C： 如果咱们有 ANSI C 编译器，只需编译 Lua 即可。

Lua 的大部分能力，都来自他的库。这并非偶然。Lua 的主要优势之一，便是其通过一些新类型及新函数，实现的可扩展性。许多特性，都有助于增强这一优势。动态类型，允许很大程度的多态，polymorphism。自动的内存管理简化了接口，因为无需决定由谁，负责分配和取消分配内存，也无需决定，如何处理内存溢出。高阶函数与匿名函数，允许高度参数化，使函数用途更加广泛。

Lua 附带了一套小型的标准库。在诸如嵌入式处理器等限制较多的环境中，安装 Lua 时，谨慎选择所需的库，可能是明智之举。此外，如果限制条件苛刻，则可以很容易地进入库的源代码，逐一选择需要保留的功能。不过，请记住，Lua 的体积很小（即使包含所有标准库），在大多数系统中，咱们都可以毫无顾虑地，使用整个软件包。

受众群体

Lua 用户通常分为三大类：在应用程序中嵌入 Lua 的用户、单独使用 Lua 的用户，以及同时使用 Lua 和 C 语言的用户。

许多人将 Lua 嵌入到应用程序中，如 CGILua（用于构建动态网页）或 LuaOrb（用于访问 CORBA 对象）。这些应用程序，使用 Lua-C API，来注册新函数、创建新类型，并更改某些语言操作的行为，从而为其特定领域配置 Lua。通常，这些应用程序的用户，甚至不知道 Lua 是一门独立、适用于特定领域的语言；例如，CGILua 用户往往认为，Lua 是一种专门为网络设计的语言。

Lua 作为一门独立的语言，也很有用，主要用于文本处理和一次性小程序，one-shot programs。对于此类用途，Lua 的主要功能来自其标准库，这些库提供了模式匹配，及其他字符串处理的功能。我们可以将这种独立语言，视为 Lua 在字符串和（文本）文件处理领域的嵌入。

最后，还有一些程序员在工作台的另一侧工作，编写将 Lua 作为库，使用的应用程序。尽管他们需要对 Lua 有很好的理解，才能创建出简单、易用，且与 Lua 语言完美结合的用户界面，但他们更多的是使用 C 语言，而非 Lua 进行编程。

本书结构

除了与 Lua 5.3 版本相关的新材料：整数、位运算、无符号整数等之外，本书这一版本（第 4 版）还增加了许多领域的新材料和示例，包括沙盒操作，sandboxing、例程 coroutines、日期和时间操作等。

更重要的是，这一版对教材进行了重大调整。我不再围绕语言组织材料（例如，每个库都有单独的章节），而是尝试围绕编程中的共同主题，组织材料。这种编排方式，使本书能够更好地按照复杂性递增的顺序，进行编排，而将简单的主题放在首位。这种顺序来自于教授该语言课程的经验；特别是，我认为这种新的编排方式，更适合将本书作为涉及 Lua 的课程的教学资源。

与前一版本一样，本版分为四个部分，每部分约九章。不过，各部分都有一个相当新的特点。

第一部分涵盖语言的基础知识（命名为 基础知识，The Basics 再合适不过了）。他围绕 Lua 中的主要值类型展开：数字、字符串、表格和函数。他还涵盖了基本的 I/O，并概述了该语言的语法。

第二部分名为 实战编程，Real Programming，涵盖了在其他类似语言中，也能找到的高级主题，例如闭包、模式匹配、日期和时间操作、数据结构、模块和错误处理。

第三部分名为 Lua 主义，Lua-isms。顾名思义，他涵盖了 Lua 与其他语言相比，特别不同的方面，例如元表，metatables，及其用途、环境、弱表，weak tables、例程，coroutines和反射, reflection。这些也是 Lua 语言中较为高级的内容。

最后，与前几版一样，本书最后一部分，介绍了 Lua 和 C 之间的 API，供使用 C 来充分发挥 Lua 功能的读者参考。这部分内容的风格，必然与本书其他部分截然不同。在那里，我们将使用 C 语言，而不是 Lua 语言进行编程；因此，我们将戴上一顶不同的帽子。对于某些读者来说，对 C API 的讨论可能兴趣不大；而对于另一些读者来说，这可能是本书最相关的部分。

在所有部分中，我们重点关注不同的语言结构，并通过大量示例和练习，来展示如何在实际任务中使用他们。我们还在各章之间，安排了一些插曲，interlude。每个插曲都介绍了一个简短，但完整的 Lua 程序，让读者对该语言有更全面的了解。

其他资源

对于想要真正学习任何语言的人来说，参考手册都是必备的。本书并不能取代 Lua 参考手册。恰恰相反，两者相辅相成。手册只描述了 Lua。他既没有举例说明，也没有说明语言结构的原理。另一方面，他描述了整个语言；而本书则跳过了语言中，一些很少使用的阴暗角落。此外，手册是关于 Lua 的权威文档。如果本书与手册存在分歧，请相信手册。要获取手册和更多关于 Lua 的信息，请访问 Lua 网站 lua.org。

咱们还可以在 Lua 用户网站上，找到有用的信息，该网站由 lua-users.org 用户社区维护。除其他资源外，该网站还提供了教程、第三方软件包和文档列表，以及官方 Lua 邮件列表存档。

本书讲的是 Lua 5.3，不过其中的大部分内容，也适用于以前的版本，甚至可能也适用于未来的版本。Lua 5.3 与旧版本 Lua 5 之间的所有差异，都在文中明确标出。如果咱们使用的是较新版本（在本书之后发布），请查阅相应手册，了解不同版本之间的差异。

一些排版约定

本书将 "字面字符串" 括在双引号之间，将单字符（如 a）括在单引号之间。用作模式的字符串，也用单引号括起来，如 '[%w_]*'。本书对代码块和标识符，都使用打字机字体。对于保留字，则使用黑体字。较大的代码块以下面的样式显示：

-- program "Hello World"
print("Hello World") --> Hello World

注解 --> 表示语句的输出，或表达式的结果：

print(10) --> 10
13 + 3 --> 16

在 Lua 中，双连字符 (--) 会开启一条注释，因此在代码中加入这些注释，不会有任何问题。

书中有一些代码片段，主要是在最初几章，应在交互模式下输入。在这种情况下，我（作者）在每一行，都使用了显示 Lua 提示符（ >）的注解：

> 3 + 5             --> 8
> math.sin(2.3)     --> 0.74570521217672

在 Lua 5.2 及更早的版本中，在交互模式下，要打印表达式的结果，就必须在表达式前加上等号：

> = 3 + 5       --> 8
> a = 25
> = a           --> 25

出于兼容性考虑，Lua 5.3 仍然接受这个等号。

最后，本书使用注解 <-->，来表示某事物与另一事物等价：

this <--> that

运行示例

咱们需要 Lua 解释器，来运行本书中的那些示例。理想情况下，咱们应该使用 Lua 5.3，但大多数示例无需修改，即可在旧版本上运行。

Lua 网站（lua.org 保存了解释器的源代码。如果咱们有一个 C 语言编译器，并且知道如何在自己机器上编译 C 代码，那么就应该尝试从源代码安装 Lua；这真的很容易。Lua 二进制网站（搜索 luabinaries）为大多数主流平台，提供了预编译 Lua 解释器。如果咱们使用的是 Linux，或其他类 UNIX 系统，则可以查看发行版的软件仓库；一些发行版已经提供了包含 Lua 的软件包。

有多种 Lua 集成开发环境 (IDE)。同样，咱们也可以通过基本搜索，轻松找到它们。(不过，我（作者）是个老手。我还是更喜欢在一个窗口中，使用命令行界面，在另一个窗口中使用文本编辑器，尤其是在初始学习阶段）。

致谢

本书第一版出版至今（2017 年 4 月），已有十余年。这一路走来，有几位朋友和一些机构给予了我（作者）帮助。

一如既往，Lua 的合作作者 Luiz Henrique de Figueiredo 和 Waldemar Celes，提供了各种帮助。André Carregal、Asko Kauppi、Brett Kapilik、Diego Nehab、Edwin Moragas、Fernando Jefferson、Gavin Wraith、John D. Ramsdell、Norman Ramsey、Reuben Thomas 和 Robert Day 为本书的不同版本，提供了宝贵建议和有益见解。Luiza Novaes 为封面设计提供了重要支持。

Lightning Source Inc.，是印刷和发行本书的可靠而高效的选择。如果没有他们，就不可能选择自行出版这本书。

由 Marcelo Gattass 领导的 Tecgraf 公司，从 1993 年 Lua 项目诞生到 2005 年，一直为其提供支持，并继续在多个方面为该项目提供帮助。

我还要感谢 里约热内卢天主教大学，PUC-Rio，和 巴西国家研究委员会，the Barzilian National Research Council, CNPq，对我工作的持续支持。特别是，如果没有里约热内卢天主教大学为我提供的环境，Lua 项目是不可能完成的。

最后，我必须向 Noemi Rodriguez 表示深深的谢意，感谢她提供的各种帮助（技术性和非技术性的），感谢她照亮了我的人生。