类型安全的 C++/Lua 任意参数互调用

在 C++ 和 Lua 协作时，双方的互调用是一个绕不开的话题。通常情况下，我们直接使用 Lua/C API 就可以完成普通的参数传递过程。但在代码中直接操作 lua stack，容易写出繁冗和重复的代码。这时我们往往会借助 tolua++ 之类的库，把参数传递的工作自动化，降低负担。

进一步讲，由于 Lua 的参数传递在个数和类型上非常灵活（任何一个函数可以传递任意个数和类型的参数），有时我们会希望在与 C++ 的互操作时保留这种灵活性，比如 C++ 向 Lua 发一个消息时，如果可以是一个消息 ID 带上任意数量和类型的参数，就会很方便（反过来也一样）。由于 C++ 能通过可变参的模板函数实现类型安全的参数传递，与 Lua 的动态参数列表相结合后，我们就能在一个接口上实现更大的跨语言自由度。

有不少第三方库能够简化 C++ 和 Lua 之间的互调用，这次我们使用 LuaBridge 来完成工作。开始前我们先介绍一下普通的互调用怎么做。

首先，从 C++ 调 Lua 的函数：

-- lua side
function foo(str, i, f)
    return string.format("%s, %d, %f", str, i, f)
end

// C side
luabridge::LuaRef foo = luabridge::getGlobal(L, "foo");
auto retString = foo("bar", 12, 0.25f);   // 这里先忽略错误处理

接着是 Lua 调 C++：

// C side
int CallMe(const std::string& arg1, const std::string& arg2)
{
    return std::stoi(arg1) + std::stoi(arg2); // 同样先不管错误处理
}

luabridge::getGlobalNamespace(L)
    .beginNamespace("native")
    .addFunction("call_me", CallMe)
    .endNamespace();

-- lua side
sum = native.call_me("15", "20")    -- sum = 35

嗯，可以看到，在 LuaBridge 的帮助下，双方互调用的参数和返回值符合各自的习惯，不用写任何额外的代码。

好了，热身完毕。现在我们看一下 C++ 调用 Lua 的可变参接口。

-- lua side
function g_post(msgID, ...)
    _queue:appendMsg({id=msgID, args={...}})
end

我们在可作为 functor 使用的 luabridge::LuaRef 上做一个简单的封装，如下：

template<class TRet, class... U>
TRet PostMessage(U&&... u) 
{
    // 获取对应的函数
    auto refFunc = GetGlobal("g_post");
    if (!refFunc.isFunction())
        return luabridge::LuaRef(L);

    // 生成携带所有参数的 functor
    auto func = std::bind(refFunc, std::forward<U>(u)...);

    // implCallGlobal() 实现略, 使用 try/catch 处理错误，并把返回值转回需要的类型
    return implCallGlobal(name, func);
}

有了这样的接口，就可以在 C++ 这边用下面的方式去调：

// C side
PostMessage(MsgType_A, "foo", "bar");
PostMessage(MsgType_B, 100, 0.25f, std::string("std::string goes as well.");
// 任意的参数组合...

而在 Lua 端的队列里，就可以得到

-- lua side
{ id=MsgType_A, args={"foo", "bar" } }
{ id=MsgType_B, args={100, 0.25, "std::string goes as well." } }
-- args 表内可以容纳传过来的任意参数

对于特定的消息类型，Lua 只需检测自己关心的参数是否匹配即可。
这样从某种程度上把动态语言的灵活性延伸到了宿主语言。

而反过来 Lua 以任意参数化的方式调 C++ 就稍麻烦一点，因为 C++ 本质上是静态的，函数的参数类型需要在编译时完全确定。

我们可以这么做：

-- 在 Lua 端简单封装一下
function g_post_native(msgID, ...)
    native.post(msgID, {...})
end

// C side
int Post(int msgID, luabridge::LuaRef args)
{
    // 这里的 switch 可以用 template <int N> 来避免分支处理，并消除每一个 case 内重复的代码。具体实现暂略，这里为了清晰直接手写
    switch (msgID)
    {
        case MsgA:
        {
            auto t = tuple_cast<std::string, std::string>(args);
            return ProcessA(std::get<0>(t), std::get<1>(t));
        }
        case MsgB:
        {
            auto t = tuple_cast<int, float, float>(args);
            return ProcessB(std::get<0>(t), std::get<1>(t), std::get<2>(t));
        }
    }

    return FAILED_BAD_ID;
}

这里使用 tuple_cast 的好处是把所有的类型转换重复代码收拢到一处，对自定义类型的扩展也很容易。 tuple_cast() 函数本质上是把一个 LuaRef 根据期望类型（由模板参数指定）展开成一个 std::tuple，对于任何一组给定的类型，递归地在编译期完成展开。具体的技术在之前的 blog 中有提到，这里不再赘述。

好了，现在可以在 Lua 端这样调了：

-- lua side
g_post_native(MsgType_A, "foo", "bar");
g_post_native(MsgType_B, 100, 0.1, 12.5);

然后在 C++ 端直接定义接受明确参数列表的函数

// C side
int ProcessA(const std::string& s1, const std::string& s2);
int ProcessB(int arg1, float arg2, float arg3);

这样的最大好处是，不管是写脚本的脚本程序员，还是写宿主语言的工程师，都可以以各自语言习惯的方式去写，尤其是 C++ 端程序员，总是可以用 tuple_cast 转成自己期望的参数列表，让所有的接口函数做到 self-documenting。

完 Gu Lu
2016-05-19

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