Lua 编程入门：从基础语法到元表

最近整理旧笔记时，注意到一门我平时几乎没见过的语言——Lua。本来以为是什么小众玩具，查了一下才发现：它 1993 年就发布了，使用范围其实相当广，只是大多数时候都嵌在别的软件里，不写对应场景的代码就见不到它。

真正引起我兴趣的是它的关键字数量。Lua 的关键字只有 21 个，比以简洁著称的 Go（25 个）还要少。一个 1993 年出生的语言，语法精简到这种程度，还能活到今天、被各种软件嵌入使用，这让我想认真学一遍。

本文是一篇入门教程，假设你已经写过代码（文中会用 JavaScript 作对照）：语法相同的地方一笔带过，重点放在 Lua 与主流语言不同的地方——类型与变量、运算符、控制流、函数，最后是 Lua 最核心的 table 和元表。示例代码基于 Lua 5.5。

Lua 是什么

Lua 诞生于巴西里约热内卢天主教大学（PUC-Rio）的 Tecgraf 实验室，前身是为巴西石油公司（Petrobras）写的数据录入语言。它的定位从一开始就很明确：一门嵌入到宿主程序里的脚本语言。

这个定位决定了它的形态：

• 小。整个解释器（含标准库）编译完几百 KB，能塞进任何程序。
• C 可嵌入。提供简洁的 C API，宿主程序可以把 Lua 解释器嵌进去，用 Lua 写业务逻辑。
• 可移植。不依赖操作系统特性，几乎任何平台都能跑。

所以 Lua 的使用场景大多是“别人的软件，Lua 的配置”：游戏行业用得最多——《魔兽世界》的插件用 Lua 写，Roblox 的脚本语言 Luau 是 Lua 的一个方言；编辑器 Neovim 用 Lua 做配置语言；Redis 内置 Lua 脚本；OpenResty 用 Lua 给 Nginx 写逻辑；macOS 上的自动化工具 Hammerspoon 也用 Lua。另外还有 LÖVE 这类直接用 Lua 写游戏的框架。

补充一个常见的疑问：Lua 和 LuaJIT 是什么关系。LuaJIT 是另一个实现，带 JIT 编译，速度远超官方解释器，但它完整支持的是 Lua 5.1 的语法。官方解释器的最新稳定版是 5.5（2025 年 12 月发布）。本文示例基于 Lua 5.5。

安装与运行

官网下载，或用包管理器安装：

brew install lua        # macOS
apt install lua5.5      # Debian / Ubuntu

如果软件源里只有 lua5.4，装它也一样——本文内容两个版本通用。

装好后有两种用法。交互模式：直接执行 lua 进入 REPL，敲一行执行一行：

> print("hello, lua")
hello, lua

脚本模式：把代码写进文件，用 lua 命令执行：

-- hello.lua
print("hello, lua")

lua hello.lua

基本类型与变量

Lua 有 8 种基本类型：nil、boolean、number、string、function、userdata、thread、table。用 type() 可以查看（相当于 JS 的 typeof）：

print(type(nil))      --> nil
print(type(42))       --> number
print(type(3.14))     --> number
print(type("lua"))    --> string
print(type(print))    --> function
print(type({}))       --> table

几个值得注意的点：

• nil 表示“不存在”。没赋值的变量是 nil，访问不存在的 table 字段也是 nil。相当于 JS 的 null 和 undefined 合二为一——Lua 里只有这一个“空”值。
• number 只有一种。整数和浮点数统一成一个类型（和 JS 的 Number 一样），内部自动区分，比如 10 // 3 是整数运算，10 / 3 是浮点运算。
• 只有 false 和 nil 为假。0 和空字符串 "" 都是真值。这一点和 JS 差异极大：JS 里 0、""、null、undefined、NaN 全是假值，Lua 里只有两个。

变量默认是全局的，用 local 声明局部变量——作用类似 JS 的 let。区别是 JS 不加关键字会报错，Lua 不加关键字就是全局：

local x = 10    -- 局部变量，作用域是当前代码块
y = 20          -- 全局变量（尽量别这么写）

默认全局是个容易翻车的设计：拼错一个变量名，不会报错，而是悄悄创建了一个全局变量。所以 Lua 社区的习惯是：除了刻意暴露的全局，一律写 local。（Lua 5.5 起提供了 global 声明，可以在代码块里关掉默认全局、强制变量先声明再用，这里不展开。）

nil 还有一个用途：给 table 字段赋 nil 就等于删除这个字段（下一节细说）。

运算符

算术运算符：+、-、*、/、//、%、^。其中 ^ 是乘方（对应 JS 的 **），// 是整除、向负无穷取整（JS 没有整除运算符，一般用 Math.floor 凑）。两个容易认错的：

• // 是整除，不是注释。
• ^ 是乘方，不是异或——Lua 的按位异或是 ~。

print(10 // 3)        --> 3
print(10 % 3)         --> 1
print(2 ^ 10)         --> 1024.0

字符串用 .. 拼接。JS 里 + 既做加法又做拼接，Lua 把两件事分开了，+ 只做加法：

print("ab" .. "cd")   --> abcd
print("n = " .. 42)   --> n = 42（数字会自动转字符串）

比较运算符：==、~=、<、>、<=、>=。注意不等号是 ~=（对应 JS 的 !=）。另外 Lua 没有 JS 那种 == 与 === 之分，== 对 table、function 这类引用类型比较的就是是不是同一个对象，不是内容（行为等同于 JS 的 ===）：

local a = {1, 2}
local b = {1, 2}
print(a == b)         --> false（两个不同的 table）

逻辑运算符：and、or、not。写 JS 的人对短路返回操作数不会陌生，Lua 的 and、or 行为一样——返回操作数本身，不是布尔值（对应 JS 的 &&、||）：

print(1 and 2)            --> 2
print(nil and 2)          --> nil
print(nil or "default")   --> default
print(not nil)            --> true

这带来一个常用惯用法：x = x or 默认值，对应 JS 的 x = x || 默认值。但要小心真假值集合不同：JS 里 0 和 "" 会被 || 当成假、落到默认值，Lua 里它们是真值，不会：

local name = input or "anonymous"

控制流

条件分支是 if / elseif / else / end。和 JS 最大的不同是定界方式：没有括号、没有花括号，全靠 then 和 end 这两个关键字。这套风格来自 Modula（Pascal 一脉的学院派语言），在当今主流语言里已经很少见了——then 标记条件结束、代码块开始，end 标记代码块结束，多敲几个字，但块的边界非常直白。

另外两点：条件不需要括号；Lua 没有 switch。注意 elseif 的拼写——是一个词，不是 else if：

local score = 85

if score >= 90 then
  print("A")
elseif score >= 60 then
  print("B")
else
  print("C")
end

循环有三种。while：

local i = 1
while i <= 3 do
  print(i)
  i = i + 1
end

repeat / until（相当于 do-while，循环体至少执行一次）：

local i = 1
repeat
  print(i)
  i = i + 1
until i > 3

数值 for（JS 没有对应物，最接近的是 C 风格的 for，但 Lua 把起止和步长都写在循环头里）：

for i = 1, 5 do
  print(i)              --> 1 2 3 4 5
end

for i = 10, 1, -2 do
  print(i)              --> 10 8 6 4 2
end

泛型 for 类似 JS 的 for...of，用来遍历 table。区别是 JS 的迭代协议藏在对象里，Lua 的迭代器是明写的函数——内置的两个：ipairs 按顺序遍历数组部分（遇到第一个 nil 停止），pairs 遍历所有键值对（顺序不定）：

local colors = {"red", "green", "blue"}
for i, v in ipairs(colors) do
  print(i, v)           --> 1 red / 2 green / 3 blue
end

local person = {name = "Ada", year = 1815}
for k, v in pairs(person) do
  print(k, v)           -- 输出顺序不确定
end

函数

函数是一等公民：可以赋值给变量、当作参数传递、放在 table 里。

local function add(a, b)
  return a + b
end

local f = add            -- 函数也是值
print(f(1, 2))           --> 3

Lua 函数可以返回多个值——JS 想返回多个值，得包进数组再解构，Lua 直接写在 return 后面：

local function divmod(a, b)
  return a // b, a % b
end

local q, r = divmod(10, 3)
print(q, r)              --> 3 1

可变参数也用 ... 表示——和 JS 的 rest 参数同一个符号，同样收尾参数。配合 table.pack 收进一个 table（返回的表带一个 n 字段记录参数个数）：

local function count(...)
  local args = table.pack(...)
  return args.n
end

print(count(1, 2, 3))    --> 3

Lua 实现了正确的尾调用：尾递归的写法不会撑爆调用栈。写递归时把递归调用放在 return 表达式的最后，就能放心深递归。

table：唯一的数据结构

终于到 Lua 最核心的部分了。Lua 只有一种数据结构：table。 数组、字典、对象、模块，全是 table。JS 里这些是分家的几个东西（Array、Object、Map、Set），Lua 里是一个东西。

数组

用 {...} 字面量创建，索引从 1 开始——这是 Lua 和 JS 最显眼的差异，JS 数组从 0 开始。

为什么从 1 开始？Lua 作者 Roberto Ierusalimschy 在演讲里给过解释：Lua 的第一批用户是 Petrobras 的工程师，他们来自 Fortran 背景，而 Fortran 的数组是从 1 数的；更重要的是直觉——“first is 1st, not 0th”，对非程序员来说从 1 数更自然。他也批评过 0 基的流行：现代语言的 0 基基本是跟着 C 学的，而 C 用 0 基是因为指针算术（a[i] 即 *(a+i)），其他语言并没有这个理由。

实际使用中记住两件事就够了：t[1] 是第一个元素，t[#t] 是最后一个：

local colors = {"red", "green", "blue"}
print(colors[1])         --> red
print(#colors)           --> 3（# 取数组长度）

# 相当于 JS 的 .length，但它只对没有“空洞”的数组可靠——如果数组中间有 nil，长度是未定义的（JS 的稀疏数组好歹还有个长度，Lua 直接不保证）。增删元素用标准库函数，别手动挪位置（table.insert 近似 JS 的 push）：

table.insert(colors, "yellow")   -- 尾部插入
table.remove(colors, 2)          -- 移除第 2 个并前移
print(colors[1], colors[2])      --> red blue

字典

键值对写法：

local person = {
  name = "Ada",
  year = 1815,
}

print(person["name"])    --> Ada
print(person.name)       --> Ada（语法糖，等价于上一行）

一个实用细节：person.name 是 person["name"] 的语法糖，键是字符串（JS 对象字面量也有同款）。而 colors[1] 的键是数字 1——同一个 table 可以同时当数组和字典用，这在 JS 里是分家的两件事：

local mix = {10, 20, name = "moon"}
print(mix[1], mix[2], mix.name)   --> 10 20 moon

给字段赋 nil 等于删除它：

person.year = nil
print(person.year)       --> nil

对象

Lua 没有 class 关键字，对象就是一个装了数据和函数的 table。配合冒号语法糖，可以写出面向对象的味道：

local counter = {
  n = 0,
  inc = function(self)
    self.n = self.n + 1
  end,
}

counter:inc()            -- 冒号语法糖，等价于 counter.inc(counter)
counter:inc()
print(counter.n)         --> 2

obj:method(...) 会自动把 obj 作为第一个参数（习惯上叫 self）传给 method。self 的角色类似 JS 的 this，但它是显式传参——没有绑定规则、没有“this 到底是谁”的经典困惑。定义方法时也可以直接用冒号简写：

local counter = {
  n = 0,
}

function counter:inc()
  self.n = self.n + 1
end

两种写法等价。

元表：给 table 加行为

table 本身只是存数据。想要“方法找不到时怎么办”“两个 table 相加怎么算”这类行为，靠的是元表（metatable）——这是 Lua 最有辨识度的机制。

每个 table 可以挂一个元表（setmetatable），元表里以 __ 开头的字段定义特殊行为。JS 里最接近的概念是 Proxy：两者都是拦截“默认行为”的元编程机制。区别在于 Proxy 在 JS 里属于高级技巧，元表在 Lua 里是基础设施——语言自己的“继承”和运算符重载都建立在它上面。

__index：找不到的键去哪找

访问 t[k] 时，如果 k 在 t 里不存在，Lua 会查元表的 __index。它可以是函数，也可以是另一个 table：

local defaults = {color = "green", size = 10}
local t = setmetatable({}, {__index = defaults})

print(t.color)           --> green（t 里没有，去 defaults 里找）

这是 Lua 里实现“继承”的基础：把 __index 指向“父类” table，子对象就自动拥有父类的方法。

用元表写一个“类”

把 __index 和冒号语法糖组合起来，是 Lua 面向对象的标准写法：

local Vec = {}
Vec.__index = Vec

function Vec.new(x, y)
  return setmetatable({x = x, y = y}, Vec)
end

function Vec:add(other)
  return Vec.new(self.x + other.x, self.y + other.y)
end

local a = Vec.new(1, 2)
local b = Vec.new(3, 4)
local c = a:add(b)
print(c.x, c.y)          --> 4 6

a:add(b) 会先在 a 里找 add——找不到，就顺着元表的 __index 找到 Vec.add。看起来就像真的类一样。

运算符重载

元表还能定义算术行为，比如 __add：

local mt = {
  __add = function(a, b)
    return {x = a.x + b.x, y = a.y + b.y}
  end,
}

local a = setmetatable({x = 1, y = 2}, mt)
local b = setmetatable({x = 3, y = 4}, mt)
local c = a + b
print(c.x, c.y)          --> 4 6

常用的还有 __sub（减法）、__eq（等于）、__tostring（print 时的字符串形式）、__call（让 table 能被调用）等。元表是 Lua 元编程的主要出口，理解了它，才算真正理解了 Lua。

模块与 require

Lua 的模块就是一个返回 table 的文件。约定：文件里用 local 变量做内部私有状态，最后返回暴露接口的 table：

-- math_utils.lua
local M = {}

function M.square(x)
  return x * x
end

function M.cube(x)
  return x * x * x
end

return M

使用时 require：

local mu = require("math_utils")
print(mu.square(5))      --> 25

和 JS 的 import 不同，require 不是语法而是运行时函数。它会按 package.path 里的模板找文件（当前目录默认在搜索路径里），并且对同一个模块只加载一次——重复 require 会直接返回缓存的结果。

错误处理

Lua 没有 JS 那样的 try-catch，用 pcall（protected call）包住可能出错的调用——错误处理不是语法结构，而是一个函数：

local function risky()
  error("something went wrong")
end

local ok, err = pcall(risky)
if not ok then
  print("捕获到错误:", err)
end

调用成功时 pcall 返回 true 加函数的所有返回值；出错时返回 false 加错误消息。配合 assert 可以少写很多判断：

local n = assert(tonumber("42"), "不是一个数字")
print(n)                 --> 42

标准库一瞥

Lua 的标准库很小，几个常用的：

• string：string.format、string.sub、string.match（自带一套模式匹配，类似简化版正则）。
• table：table.insert、table.remove、table.sort、table.concat。
• math：math.floor、math.abs、math.random 等常规数学函数。
• io / os：文件读写与系统调用。
• coroutine：协程，Lua 的原生并发方案。
• utf8：UTF-8 字符串处理。

实战：Dijkstra 最短路

学完语法，写一个完整的程序来收尾。这里选图论经典算法 Dijkstra 最短路——它要处理的数据结构（图）天然就是 table 嵌套，正好检验刚学的知识。

要解决的问题

图长这样：六个点，边上的数字是走这条边的代价（权重）：

问题是：从 A 出发，到每个点的最短距离是多少？ 比如 A 到 F，直观看可以走 A → B → D → F（4+5+6=15），也可以走 A → C → B → D → E → F（2+1+5+2+3=13），后者更短。人眼能凑出来，程序怎么算？

算法思路

Dijkstra 的想法很朴素，一步步来：

1. 起点 A 到自己的距离是 0；其他点到 A 的距离先记作“无穷大”（math.huge），因为还没找到路。
2. 从“还没固定”的点里挑出距离最小的那个，把它固定——它的最短距离到此确定，不可能有更短的路线了（想绕别的路过来，只会更长）。
3. 看这个点能直达的邻居：如果“先到当前点、再走到邻居”比邻居现在记录的距离短，就更新邻居的距离。这一步叫松弛。
4. 重复 2、3，直到所有点都被固定。

拿上面的图走一遍，完整过程如下（绿色边是每轮正在检查的边，右侧 dist 表里绿色的行是被更新过的值）：

动图里最值得注意的一刻在第二轮：B 从 4 变成 3——“绕路比直连更近”是反直觉的，这正是松弛的价值。

把图装进 table

图怎么表示？每个点列出它的邻居和对应权重，这就是邻接表。Lua 里的天然写法是 table 套 table：外层 table 的键是节点名，值是内层 table（键是邻居，值是权重）。无向图的每条边要写两个方向，A = {B = 4, C = 2} 表示 A 到 B 权重 4、A 到 C 权重 2：

local graph = {
  A = {B = 4, C = 2},
  B = {A = 4, C = 1, D = 5},
  C = {A = 2, B = 1, D = 8, E = 10},
  D = {B = 5, C = 8, E = 2, F = 6},
  E = {C = 10, D = 2, F = 3},
  F = {D = 6, E = 3},
}

核心循环

主循环对应上面思路的第 2、3 步。需要三张辅助表：dist 记距离；visited 标记已固定的点（值是 true）；prev 记“到某个点是从哪里走来的”，后面还原路径用：

local function dijkstra(graph, start)
  local dist = {}
  local prev = {}
  local visited = {}

  for node in pairs(graph) do
    dist[node] = math.huge   -- 初始无穷大
  end
  dist[start] = 0            -- 起点到自己是 0

  while true do
    -- 选“未固定”里 dist 最小的点
    local current = nil
    local best = math.huge
    for node, d in pairs(dist) do
      if not visited[node] and d < best then
        best = d
        current = node
      end
    end
    if current == nil then
      break                   -- 没有未固定的点了
    end
    visited[current] = true   -- 固定它

    -- 松弛：经过 current 到邻居会不会更近
    for neighbor, weight in pairs(graph[current]) do
      local new_dist = dist[current] + weight
      if new_dist < dist[neighbor] then
        dist[neighbor] = new_dist
        prev[neighbor] = current
      end
    end
  end

  return dist, prev
end

注意 if not visited[node]：没标记过的点，visited[node] 是 nil，nil 为假——不需要任何“集合”结构，一张 table 配合真假值就够了。

还原路径

dist 给出距离，路径靠 prev 还原：prev[F] = E 表示“到 F 的前一站是 E”。从终点一路往回查，查到起点为止，再把顺序倒过来：

local function build_path(prev, target)
  local path = {target}
  local node = target
  while prev[node] do
    node = prev[node]
    table.insert(path, 1, node)   -- 插到最前面，顺序就正过来了
  end
  return path
end

运行

local dist, prev = dijkstra(graph, "A")

for node, d in pairs(dist) do
  local path = table.concat(build_path(prev, node), " → ")
  print(string.format("%s: %d (%s)", node, d, path))
end

把上面四段代码拼起来存成 dijkstra.lua，运行：

lua dijkstra.lua

A: 0 (A)
B: 3 (A → C → B)
C: 2 (A → C)
D: 8 (A → C → B → D)
E: 10 (A → C → B → D → E)
F: 13 (A → C → B → D → E → F)

（pairs 遍历顺序不定，行的先后可能不同。）

对照图看，A 到 F 最短是 13，正是图中绿色标出的 A → C → B → D → E → F。程序里一路用到的都是前面讲过的东西：table 嵌套、pairs、真假值、多重返回值，还有 table.insert、table.concat、string.format。同样的程序用 JS 写，图结构得靠 Map 或者对象套对象，visited 还得另起一个 Set；Lua 一张 table 全包了。

最后说明一点：这个实现每轮线性扫描选最小点，复杂度 O(V²)，小图完全够用；大图要二叉堆优化，Lua 没有内置堆，已超出本文范围。

下一步

语法就这些——一门只有 21 个关键字的语言，入门到这里就完成了大半。真正值得花时间的反而是用起来之后的事：在 Neovim 里写配置、给游戏写插件，或者读别人写的 Lua 代码。

进一步学习的资料，官方的一手资源就够用：

• Lua 5.5 参考手册：语法细节以它为准。
• 《Programming in Lua》：官方教程，网络版免费，元表和面向对象那几章值得精读。

（完）