Lua 模块与包

江澎涌
442 阅读17分钟

一、什么是模块

模块就是一些代码（可以是 Lua 编写的，也可以是 C 语言编写的），这些代码可以通过函数 require 加载，然后创建和返回一个表，这个表就类似命名空间。

所有的标准库都是模块，例如 math 、 string 模块

使用表来承载模块，有很显著的优点，可以像操作普通表一样操作模块，而且能利用 Lua 语言的所有功能实现额外的功能。

例如引入 math 模块

-- 两种书写方式都可以使用
local math = require "math"
--local math = require("math")

-- sin 使用的是弧度，不是角度
print(math.sin(3.14))

也可以直接引入模块中的一个函数，例如以下代码

直接引入模块中的函数，实际上只是省去了模块这一中间变量，从加载的模块 table 中获取相应的 value

-- 引用模块中的某个函数
-- 等同于 require("math").sin
-- 此时 require("math") 获取到了引入表，`.sin` 即从表中获取了对应的值 value ，此时为一个函数
local sin = require "math".sin
print(sin(3.14))

二、require(modname)

Lua 通过 require(modname) 函数进行加载模块，modname 为需要加载的模块名（字符串类型）。

0、require 函数加载模块的流程

require 会先从 package.loaded 中获取，如果没有找到相应模块，则进入根据搜索器列表 package.searches 中设置的搜索器按顺序进行查找。

package.searches 默认内置了 4 个搜索器，按顺序分别为 预加载搜索器、Lua 搜索器、C 标准库搜索器、C 库子模块搜索器 。

假设我们使用了 require('A') 进行加载 A 模块，会进行以下加载步骤：

1、第一步：会在 package.loaded 中检查模块 "A" 是否已经存在，如果存在则会将其返回，不存在则进入第二步骤

package.loaded 是一个 table ， 存储着加载成功的模块，以模块名为 key ，模块返回结果为 value 的形式存放。

如果 package.loaded 不存在对应的模块，则会进入到后续的步骤进行搜索，无论后续的哪一步骤让模块加载成功，都会将模块的返回值（该返回值类型可以是 function 、 table 等数据类型）作为 value 和加载的模块名（例如这里的 A ）为 key ，以 key-value 的形式存放到 package.loaded table 中。如果模块没有返回值，则会用 true 代替返回值，从而达到不会每次加载相同模块都需要运行一次加载流程。

举个例子

加载两个模块，然后通过打印 package.loaded 查看已经加载的模块

print("package.loaded 已经加载的模块：")

-- 获取当前 lua 的文件夹路径
local currentPath = debug.getinfo(1, "S").source:sub(2):match("(.*/)")
-- 设置加载模块路径
package.path = package.path .. ";" .. currentPath .. "../?.lua"

require("一个合理的模块")
require("module.sub")

for path, package in pairs(package.loaded) do
    print("----- 模块【" .. path .. "】包含的属性：-----")
    if type(package) == "table" then
        for key, value in pairs(package) do
            print(key, "---", value)
        end
    else
        print(path, "---", package)
    end
    print("--------------------------------")
end

打印的内容会比较多，因为 Lua 默认加载的函数也会在其中，但在众多的输出中，可以找到加载的 "一个合理的模块" 和 "module.sub" 模块（见下图）

"一个合理的模块" 模块会返回一个 table ，所以会将 table 存储在 package.loaded 表中（这里输出的便是存储的内容）。

具体代码可以进入 github 查看 github.com/zincPower/l…

"module.sub" 模块则没有返回值，所以 Lua 会默认返回 true ，将其存储在 pacakge.loaded 表中（从输出的内容也可以验证这一点）。

具体代码可以进入 github 查看 github.com/zincPower/l…

2、第二步：在 “预加载搜索器” 中使用 package.preload 查找是否有对应加载函数，如果有则会将加载函数返回，否则进入第三步骤

package.preload 也是一个 table ，只是他的 value 必须是一个加载函数。

会根据 require 传入的模块名，在 preload 中查询，如果找到对应的 key ，则调用 value（是一个函数），会将请求的模块名和加载的来源（这里是通过预加载器，即 preload）传递给 value 函数，最后会将该函数的返回值作为模块的返回值存储在第一步提到的 package.loaded 中， 方便后续加载相同的模块。

可以运行代码，通过调用 showLoadedModule 函数，感受这一过程

print("package.preload：")

local function showLoadedModule()
    for path, package in pairs(package.loaded) do
        print("----- 模块【" .. path .. "】包含的属性：-----")
        if type(package) == "table" then
            for key, value in pairs(package) do
                print(key, "---", value)
            end
        else
            print(path, "---", package)
        end
        print("--------------------------------")
    end
end

package.preload["testModule"] = function(name, source)
    print("加载函数", name, source)
    return { name = "江澎涌" }
end

do
    for k, v in pairs(package.preload) do
        print(k, "-->", v)
    end
end
--> package.preload：
--> testModule	-->	function: 0x6000015f4de0

--showLoadedModule()

--- 会调用到 preload 的加载函数，加载完会将 testModule 的返回值放入到 loaded 中
require("testModule")
--> 加载函数	testModule	:preload:

--showLoadedModule()

3、第三步：在 “Lua 搜索器” 中会使用 package.path 查找对应的加载模块文件，如果找到则会使用 loadfile 对其加载，否则进入第四步

package.path 是一个字符串，字符串内部由一个个路径拼凑而成，这些路径表明在哪里进行查找我们需要的 Lua 文件

我们可以通过下面代码进行输出 package.path 路径

print("package.path: ", package.path)   --> package.path: 	/usr/local/share/lua/5.4/?.lua;/usr/local/share/lua/5.4/?/init.lua;/usr/local/lib/lua/5.4/?.lua;/usr/local/lib/lua/5.4/?/init.lua;./?.lua;./?/init.lua

具体的如何使用 package.path 进行搜索，看下面的 “搜索路径” 小节

举个例子：

我们要加载两个名为 "一个合理的模块" 和 "module.sub" 自己编写的模块，则需要将他们存放的目录路径设置给 package.path 否则会查找不到

如何编写一个合理的模块，可以查看下面的 “模块的编写” 小节。

debug.getinfo(1, "S").source:sub(2):match("(.*/)") 是为了获取当前执行的 Lua 文件所在的文件夹路径。debug 的使用后续会有详细的文章分享。

可以运行代码，通过调用 showLoadedModule 函数，感受这一过程

print("package.path：")

local function showLoadedModule()
    for path, package in pairs(package.loaded) do
        print("----- 模块【" .. path .. "】包含的属性：-----")
        if type(package) == "table" then
            for key, value in pairs(package) do
                print(key, "---", value)
            end
        else
            print(path, "---", package)
        end
        print("--------------------------------")
    end
end

local currentPath = debug.getinfo(1, "S").source:sub(2):match("(.*/)")
package.path = package.path .. ";" .. currentPath .. "../?.lua"

--showLoadedModule()

require("一个合理的模块")
-- 会拆解为 module/sub
require("module.sub")

--showLoadedModule()

4、第四步：在 "C 标准库搜索器" 中会使用 package.cpath 搜索对应的 C 标准库，如果查找到了，则会使用 package.loadlib 进行加载，底层函数会查找名为 luaopen_modname 的函数

package.cpath 是一个字符串，字符串内部由一个个路径拼凑而成，这些路径表明在哪里进行查找我们需要的 C 标准库

print("package.cpath: ", package.cpath)     --> package.cpath: 	/usr/local/lib/lua/5.4/?.so;/usr/local/lib/lua/5.4/loadall.so;./?.so

具体如何使用，后续 " C++ 中使用 Lua 的系列文章" 会进行分享

5、第五步：在 “C 库子模块搜索器” 中会使用 package.cpath 搜索对应的 C 标准库

和第四步的差异在于，“C 库子模块搜索器” 用于处理加载包含子模块的情况，具体的规则可以查看最后的 “子模块” 小节，如何使用在后续的 " C++ 中使用 Lua 的系列文章" 会进行分享

值得注意的是第四步和第五步都是对于 C 库的处理，只是考虑的情况不同。

6、一图胜千言

针对这一流程，我手绘了一下看看是否能达到一图胜千言了

三、模块

1、入参

模块文件会接收到两个参数，可以通过 ... 获取

  • 第一个入参：模块名
  • 第二个入参：该文件所在的路径

例如加载一个模块为 被加载的模块.lua 的文件

--- 注意不要有 `.lua`
require("被加载的模块")

在模块中，输出 ... 便可看到入参

print(...)            --> 被加载的模块	/Users/jiangpengyong/Desktop/code/Lua/lua_study_2022/11 模块和包/调用模块/被加载的模块.lua

Lua 的模块加载不提供传递自定义参数，所以如果需要同一模块不同表现，就需要在模块内部自行处理，例如暴露函数初始化。

2、返回值

require 的本质是将模块的结果以模块名为键放到 package.loaded 表中，这样做的目的是：为了下一次获取统一模块时可以返回同样的返回值，而且也标记了已经加载过了（未加载为 nil）。

有两种方式可以将设置模块的返回值:

第一种： 在模块最末尾用 return 的方式，将结果返回，一般是一个表结构（当然也可以是其他的类型）。require 函数会将结果存到 package.loaded 表中。

第二种： 直接将结果存入 package.loaded 表中，表的 key 就用模块名（通过 ... 获取），所以简单方式就是 package.loaded[...] （会舍弃掉 ... 的第二个参数）。用这种方式，就可以不用 return 了，但是模块会默认返回 true ，作为模块已经被加载过的标记（因为并不是每个模块都会自行设置 package.loaded[...]）。但是值得注意的是 required 在返回最终的值时会检测 package.loaded[模块名] 是否已经有值了，有的话则直接放回我们在前自己手动设置的值，而舍弃 true 这一默认值；否则保存 true 这样就可以标记该模块已经被加载了。

返回值的表述会比较绕，可以移步代码，运行一下 调用模块.lua 代码，对比一下加载 被加载的模块.lua 和 被加载没有返回值的模块.lua 再 package.loaded 表现就很清楚。

举个例子

下面两种方式效果是一样的

-- 第一种方式
return {
    name = name,
    foo = foo
}

-- 第二种方式
package.loaded[...] = {
    name = name,
    foo = foo
}

3、删除已加载模块

从模块加载流程中得知，已加载的模块结果会被存放在 package.loaded 中，而 package.loaded 是一个表，key 就是模块名。从之前分享的 “ Lua 数据类型 —— 表” 一文中，知道删除一个元素就是将其赋值为 nil 。

所以综上所述，我们就可以用这样的方法删除已经加载的模块

package.loaded.modname = nil

-- 或
package.loaded[modname] = nil

4、搜索路径

Lua 的所有搜索路径中，都是一组模版，每个模版间用 ";" 连接。

每个模版都会使用 “模块名” 替换 ? ，然后检查文件是否存在，如果不存在，就检查下一个模版，直到所有的模版都被检查完，如果还没有找到相应文件就会返回两个值 “nil” 和 “错误信息（已经搜索过的路径）”

举个例子：

假设我们的搜索路径是如下内容

?;?.lua;/usr/local/lua/?/?.lua

此时调用 require "user" , 则会在以下路径中查询相应的文件：

user
user.lua
/usr/local/lua/user/user.lua

4-1、package.path 和 package.cpath 的区别

经过第一小节，聪明的你其实已经知道他们的区别了，上面的规则适用于这两种路径

  • Lua 文件的搜索路径是 package.path

  • C 标准库的搜索路径是 package.cpath

4-2、搜索路径的初始化

在 package 模块初始化后，Lua 会从几个地方尝试赋值 package.path :

  1. 会先检查是否有环境变量 LUA_PATH_5_4（后面的是版本，因为我现在使用的的版本是 lua 5.4.4 ），如果有则会将其值复制给 package.path，如果没有则执行第二点；
  2. 检查环境变量 LUA_PATH 是否存在，有的话则赋值给 package.path，否则 Lua 会使用一个编译时定义的默认路径。

对于 package.cpath 也是一样的逻辑，只是是从 LUA_CPATH_5_4 和 LUA_CPATH 中获取。值得注意对于 C 库，不同平台的后缀会有不同。 例如在 POSIX 使用的是 .so 后缀，而 Windows 使用的是 .dll 后缀。

在使用终端的交互模式中，如果想要使用默认路径，可以使用 lua -E 来启动一个交互模式。

在环境变量的设置中，可以使用 ;; 表示默认路径， 例如 model/?.lua;; 则最后会表示为在 model/?.lua 和默认路径中进行搜索。

5、搜索器

require 函数内部其实是通过一个个搜索器来实现的，而所有的搜索器存储在 package.seachers 中。

Lua 内置了四个搜索器，按顺序依次是：

  1. 预加载搜索器，从 package.preload 的表中搜索，这个表存储的是 “模块名->加载函数” 。能够为要加载的模块定义任意的加载函数，提供了一种通用的方式。
  2. Lua 文件搜索器
  3. C 标准库搜索器
  4. C 库子模块搜索器
--- 第一个是预加载搜索器
--- 第二个是 Lua 搜索器
--- 第三个是 C 搜索器
--- 第四个是 C 库子模块搜索器
for k, v in pairs(package.searchers) do
    print(k, "-->", v)
end
--> 1	-->	function: 0x600003ac44e0
--> 2	-->	function: 0x600003ac4510
--> 3	-->	function: 0x600003ac4540
--> 4	-->	function: 0x600003ac4570

如果所有的搜索器都被调用完还找不到加载函数，则 require 会抛出异常

5-1、自定义搜索器

搜索器其实是一个以模块名为参数，以对应模块的加载器或 nil（如果找不到加载器）为返回值的简单函数。

举个例子

自定义一个搜索器，这里无论加载什么模块都是返回同一个加载器。搜索器内部都会加载 “被搜索器加载的文件.lua” 文件。

-- 设置自定义搜索器
package.searchers[#package.searchers + 1] = function(moduleName)
    print("moduleName: ", moduleName)
    local currentPath = debug.getinfo(1, "S").source:sub(2):match("(.*/)")
    return loadfile(currentPath .. "被搜索器加载的文件.lua")
end

local module = require("不能存在的模块")
print(module, module.name)
--> moduleName: 	不能存在的模块
--> ==================================
--> 进入模块
--> 模块入参：	不能存在的模块	nil
--> table: 0x60000362cb80	江澎涌

local module1 = require("不能存在的模块2")
print(module1, module1.name)
--> moduleName: 	不能存在的模块2
--> ==================================
--> 进入模块
--> 模块入参：	不能存在的模块2	nil
--> table: 0x60000362ccc0	江澎涌

-- 因为 “不能存在的模块2” 模块在上面已经加载过了，所以就不会在加载了，可以拿到上面加载的结果直接运行
local module2 = require("不能存在的模块2")
print(module2, module2.name)
--> table: 0x60000362ccc0	江澎涌

自定义搜索器可以实现一些特殊模块的搜索规则，例如在 zip 中的模块。

加载器可以理解为一个函数，通过他可以获取到模块的结果，进而保存至 package.loaded 中，达到缓存模块结果，不需要多次加载同一个模块。（这期间的编译是很消耗性能）

6、模块重命名

加载模块中，难免会遇到命名冲突的问题。

如果是 Lua 文件的话，比较好处理，只需要重新命名一下避开就行。

如果是 C 标准库的话，就没办法去改 luaopen_xxx 的函数，所以提供了一种 “连字符” 处理方式。就是一个模块包含连字符的话，require 函数只会用连字符之前的内容来创建 luaopen_xxx 的名称。所以只要将其中一个模块名称更改为携带版本即可，在寻找 luaopen_xxx 则会将版本去除后进行查找。

举个例子：

如果模块名为 mod-v1.0 ，执行 require "mod-v1.0" 打开的是 luaopen_mod 函数，而不是 luaopen_mod-v1.0。

四、package.searchpath(name, path, sep, rep)

在给定路径 path 中搜索给定名称 name 。

路径是一个字符串，包含一个由分号分隔的模版（规则和 “搜索路径” 一样），尝试打开处理后的文件名。

参数：

  • name：要搜索的模块名
  • path：搜索的路径
  • sep：模块名中需要被替换的字符，默认为 "."
  • rep：替换字符所用的字符，默认为系统分隔符

返回值：

  • 如果找到了就会返回查找到的文件的完整路径
  • 如果没有找到返回两个值 nil 和没有成功的错误信息

举个例子：

如果路径是字符串 "./?.lua;./?.lc;/usr/local/?/init.lua" 搜索名称 foo.a 将 尝试按顺序打开文件./foo/a.lua、./foo/a.lc和/usr/local/foo/a/init.lua。

local currentPath = debug.getinfo(1, "S").source:sub(2):match("(.*/)")
local path = "?.lua;"..currentPath .. "?.lua"

print(package.searchpath("module!sub", path, "!", "@"))
--> nil	no file 'module@sub.lua'
-->	    no file '/Users/jiangpengyong/Desktop/code/Lua/lua_study_2022/11 模块和包/module@sub.lua'

print(package.searchpath("module.sub", path))
--> /Users/jiangpengyong/Desktop/code/Lua/lua_study_2022/11 模块和包/module/sub.lua

print(package.searchpath("模块", path))
--> nil	no file '模块.lua'
--> 	no file '/Users/jiangpengyong/Desktop/code/Lua/lua_study_2022/11 模块和包/模块.lua'

五、模块的编写

定义一个合理的模块可以遵循以下几点：

  1. 将模块内部的变量和函数都声明为 local ，这样可以达到类似 java、kotlin 的 private 变量或函数，避免和全局的冲突或为后续的代码带来问题
  2. 模块的返回一般为 table ，然后将需要给外部调用的函数设置在 table 中，可以达到 java、kotlin 的 public 变量或函数

模块不是规定要返回 table ，可以选择任意的数据类型，也可以没有返回值

举个例子：

创建一个 “一个合理的模块.lua” 的文件，内容如下：

local man = {}

function man.sayHello()
    print("Hello.")
end

man.name = "jiang pengyong"

local age = 29
man.age = age

local function showInfo()
    print("My name is " .. man.name .. "." ..
            "I'm " .. man.age .. " years old.")
end
man.showInfo = showInfo

--- 第一种返回值的方式
return man

然后加载这个文件：

package.path = package.path..";/Users/jiangpengyong/Desktop/code/Lua/lua_study_2022/11 模块和包/?.lua"
local module = require("一个合理的模块")
print(module.name)      --> jiang pengyong
module.showInfo()       --> My name is jiang pengyong.I'm 29 years old.

模块的返回值并不一定要通过 return 来返回，可以通过 package.loaded[...] = xxx 进行设置返回值。（上面 “返回值” 一节中提及） 因为前面有提及到，模块会有两个入参，第一个就是模块名称，第二个是加载函数所在文件的名称，这种方式则是直接给 loaded 表设置返回值，而 [...] 则是取第一个参数，即模块名称。

所以使用第二种返回值的方式如下所示：

local man = {}

function man.sayHello()
    print("Hello.")
end

man.name = "jiang pengyong"

local age = 29
man.age = age

local function showInfo()
    print("My name is " .. man.name .. "." ..
            "I'm " .. man.age .. " years old.")
end
man.showInfo = showInfo

--- 第二种返回值的方式
package.loaded[...] = man

六、子模块

1、如何搜索 Lua 编写的子模块

Lua 支持具有层次结构的模块名，通过点来分隔名称中的层次。

例如 module.sub 是 module 的子模块，而多个模块组成的树则叫做包。

当我们 require("module.sub") 搜索一个带有子模块的文件时，Lua 会进行以下步骤：

  1. 直接使用 module.sub 作为 key ，在 package.loaded 和 package.preload 中搜索是否有对应的 value（注意此时 "module.sub" 的 "." 不会被转换为其他的字符）。
  2. 如果 1 没有搜索到，则会将 module.sub 的 . 转为系统对应的目录分隔符（如果是 mac ）则转为 /，此时就变为 module/sub ，然后进行 “搜索路径” 小节的规则进行替换，然后进行查找文件。

这个分隔符的替换，是在 Lua 编译时配置的，可以是任意字符串。

值得注意的是，如果子模块加载成功，在 package.loaded 其保存的 key 值是 module.sub ， 而不是 module 不是 sub 也不是 module/sub。

2、如何搜索 C 编写的子模块

如果是 C 编写的子模块，因为 C 函数不能带有 . ，则在调用 luaopen 函数时，则会将 . 转为 _ 。

所以在经过了 “Lua 搜索器” 和 “C 搜索器” 都加搜索不到相应的文件时，会进入到 “第四个搜索器 —— C 库子模块搜索器” 中。

如要通过 require("module.sub") 加载 C 模块，“C 库子模块搜索器” 会在 package.cpath 中搜索是否有 module 的 C 标准库，如果找到了对应的库，则会搜索是否存在 luaopen_module_sub 函数，有则进行执行，然后将结果存储。

这里也就回应了上面 “第五步” 的问题了。

3、子模块的关联

对于同一包而言，加载一个子模块并不会将整个包的模块都加载，如果子模块有需要，该模块需要自己去创建这种联系。

七、写在最后

Lua 项目地址：Github传送门 (如果对你有所帮助或喜欢的话，赏个star吧，码字不易，请多多支持)

如果觉得本篇博文对你有所启发或是解决了困惑，点个赞或关注我呀。

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