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Meta Programming / 元程式設計

元程式設計（英語：Metaprogramming），又譯超程式設計，是指某類電腦程式的編寫，這類電腦程式編寫或者操縱其它程式（或者自身）作為它們的資料，或者在執行時完成部分本應在編譯時完成的工作。多數情況下，與手工編寫全部代碼相比，程式設計師可以獲得更高的工作效率，或者給與程式更大的靈活度去處理新的情形而無需重新編譯。 -- 維基百科

簡單說，元程式設計，就是讓「程式能夠編寫程式」，改變程式運行的部份行為。Lua本身具有部份如此的能力，舉例來說，如果想要建立一組變數A-Z，或許正常會這樣子寫：

A = 1
B = 2
C = 3
-- ....
Z = 26

但Lua可以有更聰明(hacking)的寫法：

for i=65, 65+25 do  -- ASCII Code of A is 65
  print(string.char(i))
  _ENV[string.char(i)] = i - 64 -- 1 to 26
end

還記得_ENV的作用嗎？

不過今個兒沒打算討論這麼廣泛的的元程式設計。會更專注於Lua本身提供的另一個特殊物件 -- metatable / 元表。

metatable / 元表

metatable是Lua對於table一個特殊的屬性。每個table都可以設定另一個table作為其metatable。metatable可以設定/改變該table的部份行為。

setmetatable

MetaPyStr = {}
PyStr = {"Hello, "}

setmetatable(PyStr, MetaPyStr)

getmetatable

要取的table的元表也非常簡單：

meta = getmetatable(PyStr)

改變table行為

metatable是用於描述table相關的物件，其可以設定/改變該table的部份行為。舉例來說，正常的table使用tostring()或是print()得到的結果可能不那麼好理解：

print(PyStr)
--> table: 0x555de2908880

print(tostring(PyStr))
--> table: 0x555de2908880

可以透過設定元表的__tostring()來改變輸出樣子：

MetaPyStr = {
  __tostring = function(PyStr)
    return '<PyStr "' .. PyStr[1] .. '">'
  end
}

setmetatable(PyStr, MetaPyStr)

print(PyStr)
--> <PyStr "Hello, ">

跟Python很像對吧！

如果已經保有metatable的存取，其實可以直接改寫特性:

function MetaPyStr:__tostring()
  return self[1]
end


print(PyStr)
--> "Hello, "

在之後還會看到弱表，其使用了__mode去描述table的模式。

運算子多載

現在，想要實現Python字串的部份行為:

"Hello, " + "World" # => "Hello, World"
"Hello, " * 3 # => 'Hello, Hello, Hello, '

如果需要實現上面Python字串的行為，需要去改寫加法運算(__add)和乘法運算(__mul)

不過在此之前，需要先改寫一下PyStr，讓其是一個產生PyStr物件的函數。而PyStr物件是一個table，其第一個值為初始化時輸入的字串。

function PyStr(str)
  assert(type(str) == 'string',
         'str must is a string')
  local _PyStr = {str}

  setmetatable(_PyStr, MetaPyStr)
  return _PyStr
end

print(PyStr("Hello, "))
--> Hello, 

現在可以來正式實現加法運算與乘法運算:

function MetaPyStr:__add(other --[[PyStr]])
  assert(type(other) == "table")
  assert(type(other[1] == 'string'))

  return self[1] .. other[1]
end

function MetaPyStr:__mul(times --[[integer]])
  times =math.tointeger(times)
  assert(times)  -- check times is integer

  local new_PyStr = {self[1]}
  setmetatable(new_PyStr, MetaPyStr) --  set new_PyStr is Pystr

  for _=2,times do
    new_PyStr[1] = new_PyStr[1] .. self[1]
  end

  return new_PyStr
end


hello = PyStr("Hello, ")
world = PyStr("World")

print(hello + world)
--> Hello, World

print(hello * 3)
--> Hello, Hello, Hello, 

可以讓MetaPyStr本身也可以建立PyStr物件：

function MetaPyStr:new(str --[[string]])
  assert(type(str) == 'string'
         , 'str must is a string')
  local _PyStr = {str}
  setmetatable(_PyStr, self)
  return _PyStr
end


hello = MetaPyStr:new("Hello, ")
print(hello)
--> Hello,

MetaPyStr:new像不像Ruby的用法？
Ruby使用initialize去初始話物件，使用class.new去建立實體。
Lua也可以實現類似設計。有興趣嘗試模擬一下吧！

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附帶一題，
function MetaPyStr:new這樣的語法糖，直接為MetaPyStr添加新的方法，是不是也很像Ruby的開放式類別(Open Classes)。

其他運算子

在此列出部份其他運算子的名稱，你可以隨意註冊於metatable，改變物件行為：

• __add
  加法運算(+)
• __sub
  剪法運算(-)
• __mul
  乘法運算(**)
• __div
  除法運算(/)
• __idiv
  整數除法運算(//)
• __mod
  取模運算(%)
• __eq
  相等運算(==)
• __concat
  連接運算(..)