lua - 使用 Lua 评估数学表达式

Question

在我之前的问题中，我正在寻找一种在 C 中评估复杂数学表达式的方法，大多数建议都需要实现某种类型的解析器。

然而，一个答案建议使用 Lua 来评估表达式。我对这种方法很感兴趣，但我对 Lua 一无所知。

有Lua经验的人可以解释一下吗？

具体来说，我想知道的是 Lua 提供了哪个 API 可以评估作为字符串传入的数学表达式？如果没有 API 来做这样的事情，可能有人可以对链接的答案有所了解，因为这似乎是一个好方法:)

谢谢

我想评估的表达式类型给出了一些用户输入，例如

y = x^2 + 1/x - cos(x)

为 x 的一系列值评估 y

score 6 · Accepted Answer

设置一个 Lua 解释器实例，并将表达式传递给它以进行评估，返回一个函数来调用来评估表达式，这很简单。你甚至可以让用户有变量......

这是我编写并编辑到我的其他答案中的示例代码。无论如何，它可能更好地放在一个标记为 Lua 的问题上，所以我也在这里添加它。我编译了这个并尝试了几个案例，但如果不注意错误处理等，它肯定不应该在生产代码中被信任。所有常见的警告都适用于此。

我使用Lua for Windows 的Lua 5.1.4 在 Windows 上编译和测试了它。在其他平台上，您必须从通常的来源或 www.lua.org 找到 Lua。

更新：此示例使用简单直接的技术将 Lua API 的全部功能和复杂性隐藏在尽可能简单的接口后面。它可能按原样有用，但可以通过多种方式进行改进。

我会鼓励读者研究lhf提供的更适合生产的 ae库，以获取利用 API 来避免我使用的一些快速和肮脏的字符串操作的代码。他的库还将数学库提升到全局名称空间中，以便用户可以说或不必说等等。sin(x)2 * pimath.sin

LE的公共接口

这是文件le.h：

/* Public API for the LE library.
 */
int le_init();
int le_loadexpr(char *expr, char **pmsg);
double le_eval(int cookie, char **pmsg);
void le_unref(int cookie);
void le_setvar(char *name, double value);
double le_getvar(char *name);

使用 LE 的示例代码

这是文件 t-le.c，演示了这个库的简单使用。它接受其单个命令行参数，将其作为表达式加载，并使用全局变量 x 在 11 个步骤中从 0.0 变为 1.0 对其进行评估：

#include <stdio.h>
#include "le.h"

int main(int argc, char **argv)
{
    int cookie;
    int i;
    char *msg = NULL;

    if (!le_init()) {
    printf("can't init LE\n");
    return 1;
    }
    if (argc<2) {
    printf("Usage: t-le \"expression\"\n");
    return 1;
    }
    cookie = le_loadexpr(argv[1], &msg);
    if (msg) {
    printf("can't load: %s\n", msg);
    free(msg);
    return 1;
    }
    printf("  x    %s\n"
       "------ --------\n", argv[1]);
    for (i=0; i<11; ++i) {
    double x = i/10.;
    double y;

    le_setvar("x",x);
    y = le_eval(cookie, &msg);
    if (msg) {
        printf("can't eval: %s\n", msg);
        free(msg);
        return 1;
    }
    printf("%6.2f %.3f\n", x,y);
    }
}

以下是 t-le 的一些输出：

E:...>t-le "math.sin(math.pi * x)"
  x math.sin(math.pi * x)
------ --------
  0.00 0.000
  0.10 0.309
  0.20 0.588
  0.30 0.809
  0.40 0.951
  0.50 1.000
  0.60 0.951
  0.70 0.809
  0.80 0.588
  0.90 0.309
  1.00 0.000

E：...>

LE的实施

这是le.c，实现 Lua 表达式评估器：

#include <lua.h>
#include <lauxlib.h>

#include <stdlib.h>
#include <string.h>

static lua_State *L = NULL;

/* Initialize the LE library by creating a Lua state.
 *
 * The new Lua interpreter state has the "usual" standard libraries
 * open.
 */
int le_init()
{
    L = luaL_newstate();
    if (L) 
    luaL_openlibs(L);
    return !!L;
}

/* Load an expression, returning a cookie that can be used later to
 * select this expression for evaluation by le_eval(). Note that
 * le_unref() must eventually be called to free the expression.
 *
 * The cookie is a lua_ref() reference to a function that evaluates the
 * expression when called. Any variables in the expression are assumed
 * to refer to the global environment, which is _G in the interpreter.
 * A refinement might be to isolate the function envioronment from the
 * globals.
 *
 * The implementation rewrites the expr as "return "..expr so that the
 * anonymous function actually produced by lua_load() looks like:
 *
 *     function() return expr end
 *
 *
 * If there is an error and the pmsg parameter is non-NULL, the char *
 * it points to is filled with an error message. The message is
 * allocated by strdup() so the caller is responsible for freeing the
 * storage.
 * 
 * Returns a valid cookie or the constant LUA_NOREF (-2).
 */
int le_loadexpr(char *expr, char **pmsg)
{
    int err;
    char *buf;

    if (!L) {
    if (pmsg)
        *pmsg = strdup("LE library not initialized");
    return LUA_NOREF;
    }
    buf = malloc(strlen(expr)+8);
    if (!buf) {
    if (pmsg)
        *pmsg = strdup("Insufficient memory");
    return LUA_NOREF;
    }
    strcpy(buf, "return ");
    strcat(buf, expr);
    err = luaL_loadstring(L,buf);
    free(buf);
    if (err) {
    if (pmsg)
        *pmsg = strdup(lua_tostring(L,-1));
    lua_pop(L,1);
    return LUA_NOREF;
    }
    if (pmsg)
    *pmsg = NULL;
    return luaL_ref(L, LUA_REGISTRYINDEX);
}

/* Evaluate the loaded expression.
 * 
 * If there is an error and the pmsg parameter is non-NULL, the char *
 * it points to is filled with an error message. The message is
 * allocated by strdup() so the caller is responsible for freeing the
 * storage.
 * 
 * Returns the result or 0 on error.
 */
double le_eval(int cookie, char **pmsg)
{
    int err;
    double ret;

    if (!L) {
    if (pmsg)
        *pmsg = strdup("LE library not initialized");
    return 0;
    }
    lua_rawgeti(L, LUA_REGISTRYINDEX, cookie);
    err = lua_pcall(L,0,1,0);
    if (err) {
    if (pmsg)
        *pmsg = strdup(lua_tostring(L,-1));
    lua_pop(L,1);
    return 0;
    }
    if (pmsg)
    *pmsg = NULL;
    ret = (double)lua_tonumber(L,-1);
    lua_pop(L,1);
    return ret;
}


/* Free the loaded expression.
 */
void le_unref(int cookie)
{
    if (!L)
    return;
    luaL_unref(L, LUA_REGISTRYINDEX, cookie);    
}

/* Set a variable for use in an expression.
 */
void le_setvar(char *name, double value)
{
    if (!L)
    return;
    lua_pushnumber(L,value);
    lua_setglobal(L,name);
}

/* Retrieve the current value of a variable.
 */
double le_getvar(char *name)
{
    double ret;

    if (!L)
    return 0;
    lua_getglobal(L,name);
    ret = (double)lua_tonumber(L,-1);
    lua_pop(L,1);
    return ret;
}

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