Lua 元表與元方法深度解析：從入門到實戰

在 C++ 中，我們可以透過運算子多載讓兩個類別相加；同樣地，Lua 雖然不支援直接對兩個 table 進行「+」運算，但我們可以透過元表與元方法來實現這一機制。本文將系統整理 Lua 中元表的核心概念、常見元方法的用法，並搭配完整程式碼示範，幫助你掌握這項進階技巧。

什麼是元表？

Lua 中每個值都擁有一組預定義操作（如數字可相加、字串可連接），但 table 預設不支援算術運算。元表就是一個普通的 table，透過 setmetatable 關聯到目標 table，當發生非預定義操作（如 a + b）時，Lua 會依序檢查：

1. 操作數是否有元表？
2. 元表中是否存在對應的元方法（如 __add）？
3. 若存在，呼叫該元方法並傳入操作數；
4. 若不存在或查找失敗，拋出錯誤。

table 和 userdata 可各自擁有獨立元表，其他型別則共享型別層級的單一元表。字串在標準庫載入後會自動擁有元表，數字等基本型別則預設無元表。

基本操作：建立與存取元表

local t = {1, 2}
print(getmetatable(t))  -- nil

local mt = {}
setmetatable(t, mt)
assert(getmetatable(t) == mt)

任何 table 皆可作為元表，甚至可自我作為元表。僅能在 Lua 程式碼中設定 table 的元表，其他型別需透過 C API 設定。

常見元方法一覽

實戰範例：集合運算

以下示範如何用 __add 實現集合並集：

Set = {}
local mt = {}

function Set.new(l)
    local set = {}
    setmetatable(set, mt)
    for _, v in pairs(l) do set[v] = true end
    return set
end

function Set.union(a, b)
    local res = Set.new{}
    for v in pairs(a) do res[v] = true end
    for v in pairs(b) do res[v] = true end
    return res
end

mt.__add = Set.union

local s1 = Set.new{10, 20, 30}
local s2 = Set.new{1, 2}
local s3 = s1 + s2  -- 自動呼叫 Set.union

雙元運算子的元表查找規則

1. 第一個操作數有元表且含所需元方法 → 使用該元方法；
2. 否則檢查第二個操作數；
3. 皆無則報錯。

為避免型別不符導致難以除錯，建議在元方法中檢查元表一致性：

function Set.union(a, b)
    if getmetatable(a) ~= mt or getmetatable(b) ~= mt then
        error("metatable error: 僅支援 Set 之間的運算")
    end
    -- ...
end

關鍵元方法詳解

__tostring：自訂輸出格式

mt.__tostring = Set.toString
print(s1)  -- {10, 20, 30}

__metatable：保護元表不被竄改

mt.__metatable = "You cannot access the metatable"
print(getmetatable(s1))  -- You cannot access the metatable
setmetatable(s1, {})     -- error: cannot change a protected metatable

__index：預設值與繼承

當索引不存在時觸發，可為函式或 table：

Window = {}
Window.default = {x=0, y=0, w=100, h=100}
Window.mt = {}

function Window.new(o)
    setmetatable(o, Window.mt)
    return o
end

Window.mt.__index = Window.default  -- 直接指向預設值表

local w = Window.new{x=10, y=20}
print(w.w)  -- 100 (來自 default)

__newindex：攔截新增欄位

對不存在的索引賦值時觸發，同樣支援函式或 table 導向。注意避免循環參考導致 loop in settable 錯誤。

rawget / rawset：繞過元方法

rawget(t, k)   -- 直接讀取，不觸發 __index
rawset(t, k, v) -- 直接寫入，不觸發 __newindex

總結

元表與元方法是 Lua 物件導向與運算子多載的基石。掌握 __index/__newindex 可實現繼承與預設值，__add 等算術元方法賦予 table 數學語意，__tostring/__metatable 則提升除錯體驗與封裝性。深入理解這些機制，是玩轉 Lua 的關鍵。