第十章：Lua 与 C 交互

Lua 的设计目标之一就是作为一种嵌入式语言，方便地与 C/C++ 等宿主语言进行交互。Lua 提供了丰富的 C API，允许我们在 C 代码中操作 Lua 状态机、调用 Lua 函数、读写 Lua 变量，反之亦然。

本章将介绍 Lua C API 的基础知识，包括栈操作、调用 Lua 函数以及在 C 中编写可供 Lua 调用的函数。

10.1 Lua C API 基础：虚拟栈

Lua 与 C 之间的数据交换是通过一个抽象的栈（Stack）来进行的。

Lua 将数据压入栈中，C 从栈中取出数据。
C 将数据压入栈中，Lua 从栈中取出数据。

栈索引

栈中的每个元素都有一个索引。

正索引：从栈底开始，1 表示栈底第一个元素，2 表示第二个，依此类推。
负索引：从栈顶开始，-1 表示栈顶元素，-2 表示栈顶下面的那个，依此类推。

常用栈操作 API

lua_pushnil(L): 压入 nil。
lua_pushboolean(L, b): 压入布尔值。
lua_pushnumber(L, n): 压入数字。
lua_pushstring(L, s): 压入字符串。
lua_toboolean(L, index): 将栈中指定索引的元素转换为 C 布尔值。
lua_tonumber(L, index): 转换为 C 数字。
lua_tostring(L, index): 转换为 C 字符串。
lua_gettop(L): 返回栈顶索引（即栈中元素个数）。
lua_settop(L, index): 设置栈顶。
lua_pop(L, n): 从栈顶弹出 n 个元素。

10.2 在 C 中调用 Lua (嵌入 Lua)

要在 C 程序中运行 Lua 代码，我们需要创建一个 Lua 状态机（lua_State）。

#include <stdio.h>
#include <lua.h>
#include <lauxlib.h>
#include <lualib.h>

int main(void) {
    // 1. 创建 Lua 状态机
    lua_State *L = luaL_newstate();
    
    // 2. 打开标准库
    luaL_openlibs(L);
    
    // 3. 运行 Lua 代码
    if (luaL_dostring(L, "print('Hello from C!')")) {
        printf("Error: %s\n", lua_tostring(L, -1));
    }
    
    // 4. 获取全局变量
    lua_getglobal(L, "print"); // 压入 print 函数
    lua_pushstring(L, "Calling Lua function from C"); // 压入参数
    
    // 5. 调用函数: lua_pcall(L, 参数个数, 返回值个数, 错误处理函数索引)
    if (lua_pcall(L, 1, 0, 0) != LUA_OK) {
        printf("Error calling function: %s\n", lua_tostring(L, -1));
    }

    // 6. 关闭状态机
    lua_close(L);
    return 0;
}

编译命令（Linux）:
gcc main.c -o main -llua -lm -ldl

10.3 在 Lua 中调用 C (扩展 Lua)

我们可以编写 C 函数，注册到 Lua 中，然后在 Lua 脚本里像调用普通函数一样调用它。
所有注册给 Lua 的 C 函数必须符合统一的原型：
typedef int (*lua_CFunction) (lua_State *L);

函数返回一个整数，表示压入栈的返回值个数。

示例：编写一个 C 函数求和

#include <lua.h>
#include <lauxlib.h>

// 实现求和函数
static int l_sum(lua_State *L) {
    int n = lua_gettop(L); // 获取参数个数
    double sum = 0;
    for (int 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); // 压入结果
    return 1; // 返回值个数为 1
}

// 注册函数库
static const struct luaL_Reg mylib[] = {
    {"sum", l_sum},
    {NULL, NULL}
};

// 模块入口函数 (luaopen_模块名)
int luaopen_mylib(lua_State *L) {
    luaL_newlib(L, mylib);
    return 1;
}

编译成动态库（Linux）:
gcc -shared -fPIC -o mylib.so mylib.c -llua

在 Lua 中使用：

local mylib = require("mylib")
print(mylib.sum(10, 20, 30)) -- 60.0

10.4 Userdata (用户数据)

userdata 允许 C 在 Lua 变量中存储自定义的数据结构（如结构体指针、文件句柄等）。

Full userdata: Lua 管理内存，C 可以通过 metatable 定义其行为（如 GC 回收时的操作）。
Light userdata: 仅仅是一个 C 指针，Lua 不管理其生命周期。

// 创建 userdata
MyStruct *p = (MyStruct *)lua_newuserdata(L, sizeof(MyStruct));

10.5 总结

Lua 的 C API 极其强大，它使得 Lua 可以：

作为配置语言: C 程序读取 Lua 配置文件。
作为脚本插件: C 程序提供钩子，调用 Lua 脚本扩展功能。
高性能计算: Lua 负责逻辑，C 负责密集计算。

练习题

编写一个 C 程序，读取 Lua 配置文件 config.lua 中的 width 和 height 变量（整数），并打印出来。
编写一个 C 扩展库，提供一个函数 reverse(s)，用于反转字符串（虽然 Lua 也能做，但请尝试用 C 实现并暴露给 Lua）。
阅读 Lua 官方文档中关于 luaL_check* 系列函数（如 luaL_checknumber）的说明，并在你的 C 扩展中使用它们来增强参数检查。

下一章预告：我们将通过几个实战项目（如简单的解释器、文本处理工具等）来综合运用前面所学的知识，巩固你的 Lua 编程技能。