Mikä on Lua: historia, suunnittelu, tosielämän käyttötarkoitukset ja kielen keskeiset ominaisuudet

Informatec Digital » Idiootit » Mikä on Lua: historia, suunnittelu, tosielämän käyttötarkoitukset ja kielen keskeiset ominaisuudet

Lua on yksi niistä kielistä, joka yllättää tasapainoisuudellaan : pieni, nopea ja suunniteltu sovelluksiin upotettavaksi, mutta silti riittävän ilmaisuvoimainen kattamaan useita ohjelmointityylejä. Jos mietit, mikä se tarkalleen ottaen on, mihin sitä käytetään ja miksi niin monet työkalut valitsevat sen, tässä on käytännöllinen ja hyvin dokumentoitu opas.

Ennen yksityiskohtiin syventymistä on syytä selventää kaksi keskeistä seikkaa: Lua luotiin vuonna 1993 Brasiliassa (PUC-Rio, TeCGraf-ryhmä) tavoitteenaan olla kevyt ja laajennettavissa, ja versiosta 5.0 lähtien sitä on jaettu MIT-lisenssillä (aiemmin BSD:n kaltainen lisenssi). Sen suoritus ei tulkitse lähdekoodia suoraan: se kääntyy tavukoodiksi ja suorittaa sen omassa virtuaalikoneessaan; lisäksi on olemassa LuaJIT ajonaikaista kääntämistä varten.

Mikä on Lua ja mistä se tulee?

Lua tarkoittaa portugaliksi "kuuta" , ja sen loivat Roberto Ierusalimschy, Luiz Henrique de Figueiredo ja Waldemar Celes. Sen painopiste oli alusta alkaen hyvin selvä: olla upotettava, kannettava ja minimalistinen kieli , jonka yksinkertainen syntaksi on saanut inspiraationsa C:stä ja laajennettavuus on samanlainen kuin Perlillä. Vuosien varrella se on vakiinnuttanut asemansa skriptimoottorina videopeleille, laajennuksille ja sulautetuille järjestelmille.

Alusta alkaen siirrettävyys on ollut keskeinen painopiste : ISO C -kielellä toteutettuna se toimii käytännössä missä tahansa, suurista palvelimista mikrokontrollereihin, joissa on vain muutama sata kilotavua muistia. Varhaiset versiot lisensoitiin BSD-tyylisellä lisenssillä, ja Lua 5.0:sta lähtien ne ovat käyttäneet MIT-lisenssiä , joka on täysin GPL-yhteensopiva.

Filosofia ja muotoilu: kevyt, upotettu ja monikäyttöinen

Lua priorisoi "muutamaa, erittäin tehokasta osaa". Sen käsitteellinen viitekehys on tiivistetty kolmeen pilariin : taulukot ainoana tietorakenteena, funktiot ensiluokkaisina kansalaisina ja korutiinit yhteistyöhön perustuvaan vuonohjaukseen. Näiden perustan avulla käyttäjät voivat rakentaa mukautettuja moduuleja, objekteja, ympäristöjä ja abstraktioita .

Sitä kuvataan usein proseduraaliseksi, mutta se omaksuu luonnostaan ​​funktionaalisia tyylejä (sulkeumat, korkeamman tason komennot), oliopohjaisia ​​lähestymistapoja (metataulujen ja prototyyppien kautta) ja datalähtöistä lähestymistapaa. Sen minimalismi ei tarkoita jäykkyyttä: kieli laajenee ja mukautuu määrittelemällä käyttäytymistä uudelleen metataulujen avulla.

Olennainen syntaksi ja toteutus

Lua-kielessä muuttujilla ei ole staattisia tyyppejä ; niiden arvoille annetaan tyypit. Se tarjoaa kahdeksan perustyyppiä : nil , boolean , number , string , table , function , userdata ja thread (korutiinit). Lisäksi se tukee hallittua numeroiden ja merkkijonojen välistä pakottamista ajonaikana.

Kieli on järjestetty paloina (koodinpätkiä), jotka kääntäjä muuntaa anonyymiksi funktioiksi; tämä auttaa kapseloida valtion toimivat nyt ilman vahingossa tapahtuvia "taikaglobaaleja" asetuksia. Kommentit on merkitty -- ja tukee merkkijonoliteraaleja pitkien lainausmerkkien tai sulkeiden kanssa; operaattorit sisältävät aritmeettisen, relaatiologiikan ja oikosulkulogiikan (and, or, not), ketjutus (..) ja pituus (#).

Virtauksen hallinnan osalta löysimme if/elseif/else, while, repeat until (vartalo taattu vähintään kerran) ja kaksi varianttia for: numeerinen (alku, loppu ja vaihe) ja yleinen (iteraattorit kuten pairs o ipairs). paikalliset lausunnot rajoittaa leksikaalista laajuutta ja palata sallii useita arvoja.

Tietotyypit ja pakottaminen

Lua on suunniteltu dynaamisesti tyypitetyksi . Automaattisia muunnoksia tapahtuu pääasiassa merkkijonojen ja numeroiden välillä aritmeettisissa laskutoimituksissa tai tekstiyhteyksissä. Ehdolliset lauseet pitävät vain arvoja false ja nil epätosina ; kaikki muu on tosi (mukaan lukien 0 ja tyhjä merkkijono).

Keskeisiä tietotyyppejä ovat table (sanakirjat/assosiatiiviset taulukot), function (ensimmäisen luokan arvot), userdata (C-muistilohkot) ja thread (korutiinit). Taulukot ovat heterogeenisiä ja hyväksyvät minkä tahansa avaintyypin paitsi nil , ja muodostavat perustan monimutkaisille rakenteille, kuten listoille, tietueille, puille ja harvoille taulukoille.

Taulukot ja metataulukot: kielen ydin

Taulukko on ainoa tietorakenne ja sitä käytetään kaikkeen: yksinkertaisesta taulukosta ({10,20,30}) luetteloihin, objekteihin, moduuleihin ja ympäristöihin. Pääsy t y t.x on yhtäpitävä, kun avain on nimi. Konstruktorit, joissa on aaltosulkeet, sallivat erittäin kompakteja ilmaisuja alustuksen.

kanssa metataulukot se määrittele käyttäytymismallit uudelleen operaattoreista ja käyttöoikeuksista: __add, __eq, __lt, __concat, __len, __index, __newindex, __calljne. Se mahdollistaa ylikuormitettu yhteenlasku, vertailu, ketjutus tai puuttuvan kentän käyttämiseen reagointi, muiden muassa. Näin voit rakentaa kompleksilukujen luokat, välityspalvelimia, validoijia tai kääreitä vain muutamalla rivillä.

Moduulit ja ympäristöt

Toiminto require lataa moduulin (palan, joka suoritettaessa palauttaa yleensä taulukon funktioilla ja vakioilla). Sisäisesti Lua kääntää koodin funktioksi ja suorittaa sen omassa entorno, palauttaen tuloksensa uudelleenkäytettäväksi. Globaalit muuttujat "asuvat" taulukossa, johon pääsee käsiksi muodossa _G ja uudemmissa versioissa funktion näkyvän ympäristön kautta (_YMPÄRISTÖ).

Tämä arkkitehtuuri pitää binääritiedoston koon pienenä : kaiken lataamisen sijaan jokainen moduuli paljastaa vain tarvittavat tiedot, ja kehittäjä päättää, mitä sisällytetään. Leksinen näkyvyys ja ympäristöjen erottelu minimoivat koodin osien väliset sivuvaikutukset.

Funktiot, sulkemiset ja palat

Lua-kielessä funktio on arvo : se annetaan muuttujille, annetaan argumenttina ja palautetaan tuloksena. Jäykkää ariteettia ei ole: ylimääräiset argumentit jätetään huomiotta ; puuttuvat argumentit täytetään nil- arvolla . Jopa lohkoja käsitellään anonyyminä funktioina, mikä helpottaa paikallisen tilan kapselointia globaalia ympäristöä saastuttamatta.

Syntaktisena sokerina operaattori : (kaksoispiste) antaa sinun määritellä ja kutsua "metodeja" välittämällä self epäsuorasti: obj:metodo(x) on yhtä suuri obj.metodo(obj, x). Sulkemiset Ne keräävät ylösarvoja, mikä on erittäin tehokas perusta iteraattoreiden, tehtaiden ja puhtaiden API-rajapintojen rakentamiselle.

Olio-orientoitunut suunnittelu ”Lua-tyyliin”

Vaikka sillä ei ole varsinaisia ​​luokkia, Lua toteuttaa OOP:n käyttämällä taulukoita ja metataulukoitaYleisimmät kuvioiden käyttötavat __index Delegointi prototyypille: Objektit tallentavat tilansa ja etsivät metodinsa "templaatista" (prototyyppitaulukosta). Konstruktori voi helposti määrittää metataulukon ja palauttaa uusia instansseja.

Yhdistäminen konstruktorit, __index ja sugar:, saadaan pragmaattinen OOP: menetelmät, joissa self, pseudoperiytyminen (ketjutetut prototyypit), päällekirjoituksen mahdollisuus ja joustava koostumusSe on yksinkertainen ja erittäin tehokas lähestymistapa laajennuksille, peleille tai määritysskripteille.

Korutiinit: yhteistyöhön perustuva moniajo

Las korutiinit Ne tarjoavat erittäin hienon virtauksensäädön: ne voivat olla yield y resume tietyissä kohdissa, mikä säästää niiden akkua. Ne toimivat yhteistyöhön perustuva monisäikeinen, ihanteellinen pelilogiikkaan, reaktiivisiin järjestelmiin, yksinkertaisiin suunnittelijoihin tai laiskoja iteraattoreitaLisäksi ne mahdollistavat tyylikkään vaihtamisen Lua-koodin ja isäntäkoodin (esim. C/C++) välillä.

Käytännössä korutiini suoritetaan, kunnes se päättyy , palauttaen arvoja uudelleenkäynnistäjälle ja jatkaen sitten juuri siitä, mihin se jäi. Interaktiivisissa tehtävissä, tilallisessa tekoälyssä tai simulaatioissa se on erittäin arvokas työkalu alhaisten kustannustensa ja selkeytensä ansiosta.

Vakiokirjastot ja apuohjelmat

Lua sisältää kompaktin mutta erittäin hyödyllisen joukon standardikirjastoja: basic (assert, type, pairs, require…), string (patterns, gsub, gmatch, format), table (insert, remove, sort, concat), math (trigonometria, eksponentiaalit, random), io (files), os (dates, environment, processes) ja debug (hooks, trace, inspection). Ne on suunniteltu kattamaan 80 % tosielämän tarpeista minimaalisella jalanjäljellä.

Järjestelmä merkkijonokuviot tarjoaa tehokkaan haun, sieppauksen ja korvauksen ilman täysiä säännöllisiä lausekkeita; ominaisuuksilla, kuten gmatch o gsub Tyypillisimmät tekstinkäsittelyn tapaukset ratkaistaan ​​yksinkertaisella tavalla. ytimekäs.

Upotettu C/C++:aan ja integrointi-API:in

Yksi sen vahvoista puolista on API C-kielelläIsäntä luo lua_State, lataa paloja (lua_load), kutsuu funktioita (lua_pcall suojattujen), rekisterien suorittamiseksi alkuperäiset toiminnot pääsee Luasta ja siirtää tietoja virtuaalinen pinoC-maailman rakenteita paljastavia apuohjelmia on virheenkäsittelyyn, roskienkeruuseen, metataulukoihin ja ”käyttäjätietoihin”.

Tämä suunnittelu tekee Luasta yleiskäyttöisen skriptimoottorin C/C++-sovelluksille: logiikka on delegoitu Lualle (helppo iteroida ja ottaa käyttöön) säilyttäen samalla natiivin ytimen suorituskyvyn. Sen pieni jalanjälki (toteutus noin 25 000 riviä C-koodia ja satojen kilotavujen binääritiedostot) auttaa integroimaan sen jopa vaatimattomille laitteille.

Lua IoT:ssä ja mikrokontrollereissa (ESP8266/NodeMCU)

Lua sopii erinomaisesti IoT:hen yksinkertaisuutensa ja nopean kehityssyklinsä ansiosta. NodeMCU ESP8266:lle tarjoaa Luaa käyttävän laiteohjelmiston ja työkaluja, kuten Lua-lataaja o ESPlorer Voit ladata skriptejä, avata konsolin, testata koodinpätkiä ja debugata lennossa. Tiedosto init.lua yleensä käynnistä logiikka laitteen toiminnot (esim. LEDin vilkkuminen tai GPIO:n konfigurointi).

La posibilidad de suorita koodin osia asteittain, ilman että kaikkea tarvitsee kääntää uudelleen, tekee kokeilemisesta erittäin mukavaa: muuttujien määrittelyä, print(a+b), vaihtokytkimet jne. Arduinosta tuleville tämä työnkulku on ketterä ja didaktinen, ja usein pienet muutokset riittävät skriptien siirtämiseen muihin yhteensopiviin laitteisiin.

Merkittäviä käyttötarkoituksia videopeleissä ja ohjelmistoissa

Keveytensä, suorituskykynsä ja sallivien lisensointiensa ansiosta Lua on suosikki pelimoottoreissa ja modeissa. Alustat, kuten Roblox, ovat mainostaneet tyypitettyä varianttia (Luau); pelit ja pelimoottorit, kuten World of Warcraft , hiekkalaatikkopeli Garry's Mod (perustuu Half-Life 2:een), RTS Supreme Commander , osa STALKERia , LucasArtsin seikkailut, kuten Grim Fandango ja Escape from Monkey Island , Worms 4: Mayhem ja kehykset, kuten LÖVE2D, ovat osoittaneet tehokkuutensa käyttöliittymäskriptauksessa , pelilogiikassa ja modeissa.

Se esiintyy myös MMO-peleissä ja alustoilla, kuten Tibia (laajalla kustomointimahdollisuudella XML:n rinnalla), Ragnarok Online (homunculus-tekoäly), palvelimilla ja modeissa, kuten Multi Theft Auto: San Andreas tai FiveM , peleissä, kuten Factorio (Lua-pohjaiset modit), Hedgewars , Transformice , Minetest (luo modeja tai kokonaisia ​​pelejä), StepMania (animaatiot ja komennot) ja jopa peleissä, kuten The Binding of Isaac: Rebirth (DLC Afterbirth + lisäsi Lua-modituen).

Työkalujen ja järjestelmien saralla ikkunanhallintaohjelmat , kuten Ion ja Awesome, käyttävät Luaa konfigurointiin ja laajentamiseen, kun taas sovellukset, kuten REAPER , Rockbox ja Renoise DAW, hyödyntävät sitä skriptaamiseen ja syvälliseen mukauttamiseen (mukautettu API, OSC, MIDI, valikot, kelluvat ikkunat, integroitu pääte). Sitä on käytetty myös syöttödatan käsittelyyn , sovellusten konfigurointiin, laitteiston ohjaamiseen ja tehtävien automatisointiin.

Suorituskyky, toteutus ja roskienkeruu

Lua kääntyy tavukoodiksi ja toimii tehokkaassa virtuaalikoneessa; vaativiin skenaarioihin LuaJIT lisää ajonaikaisen kääntämisen. Roskienkerääjä on inkrementaalinen, lippujen pyyhkäisyllä toimiva, konfiguroitavissa (tauko- ja askelkerroin) ja tukee viimeistelijöitä (__gc) käyttäjätiedoille ja heikoille taulukoille ( avaimet/arvot, jotka eivät estä muistin vapauttamista).

Tämä nopeuden ja hallinnan yhdistelmä johtaa alhaisiin latenssitasoihin, jotka ovat hyväksyttäviä peleille, laajennuksille ja sulautetuille järjestelmille. Sen minimaalinen jalanjälki mahdollistaa käyttöönoton laitteilla, joilla on hyvin rajalliset resurssit, tinkimättä ilmaisukyvystä.

Suunnittelun vertailu ja oppiminen

Toisin kuin raskaammat ohjelmointikielet, Lua priorisoi taloudellisuutta ja yhteentoimivuutta . Sen tavoitteena ei ole korvata Pythonia tai JavaScriptiä "kokonaisvaltaisena ekosysteeminä", vaan pikemminkin olla paras vaihtoehto silloin, kun yksinkertaisuus, siirrettävyys ja laajennettavuus C:ssä ovat avainasemassa . Kirja Programming in Lua ja tekniset artikkelit syventyvät päätöksiin, jotka selittävät sen elegantin suunnittelun.

Pascalista, C:stä tai selkeän syntaksin omaavista kielistä tulevat löytävät tasainen sisääntulokäyrä: lohkot, joissa on do ... end, luettavat ehdolliset lauseet, 20 hyvin määriteltyä avainsanaa ja malli local ja rajoittaa sivuvaikutuksiaSen "liima" C:n kanssa ja joustava taulukkosemantiikka kannustavat rakentamaan alhaalta ylöspäin vain sen, mikä on välttämätöntä.

Usein esiintyviä tapauksia ja anekdootteja

Siirrettävyyden kannalta Lua-sovelluksen siirtäminen käyttöjärjestelmien välillä vaatii yleensä vain vähän muutoksia. Konsoleille ja laitteille on olemassa koontiversiot PSP:lle , Wiille ja SEGA Saturnille (erityisillä kirjastoilla), ja kotikokeiden yhteisöt ovat käyttäneet Luaa sen yksinkertaisuuden vuoksi.

Yksityisillä palvelimilla ja modeilla (esimerkiksi Tibialla ) Luaa käytetään korkean tason järjestelmien, skriptien ja laajennusten luomiseen. Ja jos työskentelet luovilla alustoilla, kuten Friday Night Funkin' , Luaa käytetään HUDien, modikaavioiden ja kohtausten koristelun muuttamiseen, mikä osoittaa sen monipuolisuuden dynaamisessa koreografiassa.

Vahvuudet, jotka selittävät sen menestystä

Kevyt ja nopea : erittäin pienet binääritiedostot, minimaalinen muistinkulutus ja tehokas tulkki/virtuaalikone. Resurssirajoitteisilla laitteilla tämä säästäväisyys tekee kaiken eron.

Erinomainen C-rajapinta : natiivien funktioiden rekisteröinti ja rakenteiden paljastaminen on suoraviivaista. Monimutkaisille sovelluksille, jotka muunnetaan "isänniksi", Lua on ihanteellinen liima natiivin ytimen ja korkean tason logiikan välille.

Moniparadigminen ja modulaarinen : taulukoiden, metataulukoiden, funktioiden ja korutiinien avulla rakennat juuri sen, mitä tarvitset, ei enempää eikä vähempää. Tämä hyvin harkittu minimiratkaisu välttää tarpeetonta monimutkaisuutta.

Yhteisö ja dokumentaatio : ytimekäs käyttöohje, lukuisia esimerkkejä ja materiaalia useilla kielillä (englanniksi, espanjaksi, portugaliksi). "Ymmärrä, miten se toimii" -kulttuuri tarkoittaa selkeää ja vankkaa koodia.

Syntaksitiedot ja muistettavat operaattorit

Loogiset operaattorit oikosululla jotka palauttavat operandit (eivät vain totuusarvot): a and b y a or b voi palauttaa ei-totuusarvoisia arvoja, mikä on erittäin hyödyllistä oletusarvoisille sijoituksille (x = x or {}).

Yhdistäminen ..:n kanssa, pituus #:lla (merkkijonoissa ja ”taulukkotyyppisissä” taulukoissa) potenssiinkorotus ^-merkilläja C:n kaltaisia ​​precedentteja, joilla on erityispiirteitä, kuten oikeanpuoleinen assosiatiivisuus .. y ^. ketjukuviot Ne tarjoavat kätevän tallennuksen ja haun ilman ulkoisia riippuvuuksia.

Miksi niin monet moottorit ja työkalut valitsevat sen?

Koska se vähentää suunnittelun ja toteutuksen välistä kitkaa : iterointi Lualla on nopeaa, skriptejä on helppo jakaa ja auditoida, ja natiivi ydin on suojattu toistuvilta muutoksilta. Lisäksi se sopii täydellisesti kaupallisiin tuotteisiin ja yhteisöprojekteihin, koska se on ilmainen ohjelmisto, jolla on salliva lisenssi .

Ja on olemassa tärkeä kulttuurinen tekijä: kielen selkeys kannustaa ohjelmointikäsitteiden (korkeamman asteen funktiot, sulkeumat, iteraattorit) oppimiseen, joita voidaan sitten soveltaa muissa ympäristöissä. Sekaryhmille (suunnittelu, skriptaus, moottori) tämä nopeuttaa toimituksia laadusta tinkimättä.

Tutkittuamme Luan historiaa, suunnittelua ja käyttötarkoituksia on helppo ymmärtää, miksi se on ansainnut erityisen paikan: pieni kieli, joka tekee suuria asioita . Videopeleistä ja DAW-työasemista IoT:hen ja kelluviin ikkunoihin, sen taulukoiden ja metataulukoiden, ensiluokkaisten funktioiden ja korutiinien yhdistelmä johtaa selkeisiin, modulaarisiin ja helposti ylläpidettäviin ratkaisuihin. Jos etsit luotettavaa skriptimoottoria sovelluksiisi integroitavaksi tai yksinkertaista automatisointikieltä tehosta tinkimättä, Lua on poikkeuksellinen kumppani.