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Lua设计与实现--Table篇

来源：五一七教育网

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解决方案1：

Lua设计与实现--Table篇

Lua中的table是其最核心的数据结构之一，它兼具了容器和面向对象的功能，使得Lua能够以简洁的方式实现复杂的数据结构和操作。以下是对Lua table设计与实现的详细解析。

一、Table的设计哲学

容器功能：

Lua中的table作为唯一的内置容器，其设计兼顾了数组和哈希表的特点。

数组部分用于存储连续的整数键，哈希表部分则用于存储非整数键或需要快速查找的键。

面向对象功能：

Lua没有显式的面向对象语法，但table可以模拟面向对象的行为。

通过在table中嵌入一个metatable（元表），可以定义该table的行为，如重载操作符、定义方法等。

二、Table的数据结构

Lua table的数据结构主要包括以下几个部分：

CommonHeader：垃圾回收通用结构，用于支持Lua的垃圾回收机制。flags：用于缓存该表中实现了哪些元方法，以优化查询性能。lsizenode：哈希表大小的log2值，哈希表大小总是2的次幂。sizearray：数组部分的大小，也是2的次幂。array：指向数组部分的头指针。node：指向哈希表部分的头指针。lastfree：哈希表中可用的尾指针，用于快速找到可用的节点。metatable：指向该table的元表。gclist：垃圾回收链表，用于将table链接到垃圾回收的链表中。

数据结构图示：

三、Table的重要操作

查询操作：

当查询一个key时，首先判断该key是否为整数且小于sizearray，如果是，则直接返回数组部分对应的值。

否则，通过哈希表查找该key对应的值。

新增元素：

新增元素的核心是新增key，由luaH_newkey函数实现。

如果哈希表没有可用空间，则调用rehash函数进行扩容。

找到newkey的mainposition，如果可用则直接使用；如果已被占用且哈希值相同，则插入到该mainposition的next链表中；如果哈希值不同，则将占用节点挪到freepos，并让newkey入住其mainposition。

新增元素图示：

rehash操作：

rehash操作不仅重新计算哈希表的大小，还重新计算数组部分的大小。

通过遍历当前的数组和哈希表部分，统计key的分布情况，并根据填充率决定最终的数组大小。

调用luaH_resize函数进行resize操作，如果哈希表大小有变化，则对原哈希表中的元素进行真正的rehash。

rehash过程图示：

迭代操作：

Lua提供了ipairs和pairs两个函数用于迭代table。

这两个函数都会在虚拟机内部临时创建出两个变量state和index，用于对lua表进行迭代访问。

每次访问时，调用luaH_next函数，该函数会根据index判断迭代器对应的是数组部分还是哈希表部分，并返回下一个key-value对。

迭代操作图示：

综上所述，Lua的table设计既灵活又高效，通过结合数组和哈希表的特点，以及元表的机制，实现了强大的功能和良好的性能。