解析Lua中的全局环境、包、模块组织结构

模块就是一个程序库，而包是一系列模块。Lua中可以通过require来加载模块，然后得到一个全局变量表示一个table。Lua将其所有的全局变量保存在一个被称为“环境”的常规table中。本文首先介绍环境的一些实用技术，然后介绍如何引用模块及编写模块的基本方法。

1. 环境
Lua将环境table保存在一个全局变量_G中，可以对其访问和设置。有时我们想操作一个全局变量，而它的名称却存储在另一个变量中，或者需要通过运行时的计算才能得到，可以通过value = _G[varname]来获得动态名字的全局变量。

关于“环境”的一大问题是它是全局的，任何对它的修改都会影响程序的所有部分。Lua 5允许每个函数拥有一个子集的环境来查找全局变量，可以通过setfenv来改变一个函数的环境，第一个参数若是1则表示当前函数，2则表示调用当前函数的函数（依次类推），第二个参数是一个新的环境table。

a = 1
setfenv(1, {})
print(a) -- 会报错，print是一个nil。这是因为一旦改变环境，所有的全局访问都会使用新的table

为了避免上述问题，可以使用setfenv(1, {_G = _G})将原来的环境保存起来，然后用_G.print来引用。另一种组装新环境的方法是使用继承，下面的代码新环境从源环境中继承了print和a，任何赋值都发生在新的table中。

a = 1
local newgt = {}
setmetatable(newgt, {__index = _G})
setfenv(1, newgt)
print(a)

2. 模块与包
2.1 调用模块

要调用模块mod中的foo方法，可以用require函数来加载，如：

require "mod"
mod.foo()
-- 或者
local m = require "mod"
m.foo()

require函数的行为： （关于require使用的路径查找策略不赘述）
在package.loaded这个table中检查模块是否已加载
=> 已加载，就返回相应的值（可见一个模块只会加载一次）
=> 未加载，就试着在package.preload中查询传入的模块名
===> 找到一个函数，就以该函数作为模块的加载器
===> 找不到，则尝试从Lua文件或C程序库中加载模块
=====> 找到Lua文件，通过loadfile来加载文件
=====> 找到C程序库，通过loadlib来加载文件

2.2 使用环境

下面的代码说明了如何用环境来创建一个复数（complex）模块：

-- 模块设置
local modname = "complex"
local M = {}
_G[modname] = M
package.loaded[modname] = M

-- 声明模块从外界所需的所有东西
local _G = _G -- 保留旧环境的引用，使用时需要像_G.print这样用
local io = io

-- 运行这句之后环境就变了
setfenv(1, M)

function new(r, i) return {r=r, i=i} end

function add(c1, c2)
  return new(c1.r + c2.r, c1.i + c2.i)
end

这样声明函数add时，就成为了complex.add，调用同一模块的其他函数也不需要加前缀。

2.3 module函数

Lua 5.1提供了一个新函数module，囊括了上面一系列定义环境的功能。在开始编写一个模块时，可以直接用module("modname", package.seeall)来取代前面的设置代码。在一个模块文件开头有这句调用后，后续所有代码都不需要限定模块名和外部名字，同样也不需要返回模块table了。

2.4 子模块与包

Lua支持具有层级的模块名，用一个点来分隔名称中的层级。例如一个模块名为mod.sub，就是mod的一个子模块。一个包（package）就是一个完整的模块树，它是Lua中发型的单位。注意，当搜索一个子模块文件时，require会把点号当做目录分隔符来搜索，也就是说调用require "a.b"会尝试打开./a/b.lua，/usr/local/lua/a/b.lua，/usr/local/lua/a/b/init.lua。通过这种加载策略，可以将包的所有模块组织到一个目录中。

2.5 以自定义方式加载 lua 模块
从 Lua 5.1 以后，Lua 有了标准的模块管理库。所以所有的模块加载都是通过 require 来完成。 require 的设计是颇具扩展性的，它会从若干个定义好的 loader 中逐个尝试加载新的模块。系统库中提供了四个 loader ，分别实现已加载模块，Lua 模块，和 C 扩展模块（用了两个 loader 来实现 C 扩展模块的加载）。这些 loader 以 CFunction 的形式放在 require 的环境中的一个 table 里。

如果我们想改变 lua 模块的加载形式，只需要替换或增加一个新的 loader 就可以了。

要做的只需要模仿 loadlib.c 中的 loader_Lua 函数做一个自己的实现，比如在我们的项目中，就允许从自定义格式数据包中，加载一个被加密过的 Lua 代码文件。然后写几行 C 代码，获得 require 的环境（使用 lua_getfenv ），然后取出其中 "loaders" 这个 table ，把新的自定义 loader 插入到 index 2 的地方。

具体的代码就不详述了，仔细阅读一下 ll_require 的实现（在 loadlib.c 中）就很容易明白。我们的整个工作从分析到实现没有超过两个小时，这真是得益于 Lua 良好的设计啊 :D 甚至如果你想从一个网络连接的数据流中加载 Lua 模块，或是通过 http/ftp 协议下载，也是行的通的吧。