在 Lua 中，函数是一等公民（First-Class Citizen），这意味着函数可以像其他值一样被赋值、传递和操作。以下是 Lua 函数定义的完整指南，涵盖基础语法、高级特性、设计模式及性能优化。

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一、基础语法

1. 函数声明

-- 基础语法
function add(a, b)return a + b
end-- 调用
print(add(3, 5))  -- 输出 8

2. 匿名函数

-- 无名称的函数（常用于回调）
local function factorial(n)return n == 0 and 1 or n * factorial(n-1)
end-- 将函数赋值给变量
local square = function(x) return x * x end
print(square(4))  -- 输出 16

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二、核心特性

1. 多返回值

function divide_and_remainder(a, b)return math.floor(a / b), a % b
endlocal quotient, remainder = divide_and_remainder(10, 3)
print(quotient, remainder)  -- 输出 3 1

2. 变参函数（Variadic Function）

-- 使用 ... 接收任意数量参数
function sum(...)local total = 0for _, v in ipairs({...}) dototal = total + vendreturn total
endprint(sum(1,2,3,4))  -- 输出 10

3. 函数作为返回值

function make_adder(x)return function(y)return x + yend
endlocal add5 = make_adder(5)
print(add5(3))  -- 输出 8

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三、进阶特性

1. 闭包（Closure）

闭包是函数与其词法环境的组合，可捕获外部变量：

function counter()local count = 0return function()count = count + 1return countend
endlocal c = counter()
print(c())  -- 1
print(c())  -- 2

2. 尾调用优化（Tail Call Optimization）

尾调用不会增加调用栈深度，防止栈溢出：

function factorial(n, acc)acc = acc or 1if n == 0 then return acc endreturn factorial(n-1, n*acc)  -- 尾递归优化
endprint(factorial(5))  -- 输出 120

3. 高阶函数（Higher-Order Function）

函数作为参数或返回值：

-- map 函数
function map(t, fn)local result = {}for _, v in ipairs(t) dotable.insert(result, fn(v))endreturn result
endlocal numbers = {1,2,3,4}
local squares = map(numbers, function(x) return x*x end)
print(table.unpack(squares))  -- 输出 1 4 9 16

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四、函数属性与元编程

1. 函数属性

function greet(name)return "Hello, " .. name
endgreet.__call = function(self, ...)return self.name .. ", " .. ...
endsetmetatable(greet, { __call = function(f, name) return "Hi, "..name end })print(greet("Alice"))  -- 输出 Hi, Alice

2. 元表与函数钩子

-- 统计函数调用次数
local call_counts = {}
local function hook(func)return function(...)call_counts[func] = (call_counts[func] or 0) + 1return func(...)end
endlocal function add(a, b)return a + b
endadd = hook(add)
add(1,2)
add(3,4)
print(call_counts[add])  -- 输出 2

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五、性能优化指南

1. 避免闭包滥用

-- 低效写法：频繁创建闭包
for i = 1, 1000 dolocal function fn() return i end  -- 每次循环都创建新闭包
end-- 优化写法：使用局部变量捕获
for i = 1, 1000 dolocal i_local = ilocal function fn() return i_local end
end

2. 内联小函数

-- 频繁调用的简单函数可内联
-- 优化前
local function square(x) return x*x end
for i = 1, 1e6 dosquare(i)
end-- 优化后
for i = 1, 1e6 dolocal x = i*i  -- 直接展开计算
end

3. 使用局部函数

-- 全局函数查找较慢
function global_fn() end-- 优化：优先使用局部函数
local local_fn = function() end

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六、设计模式与最佳实践

1. 策略模式

local strategies = {add = function(a,b) return a+b end,multiply = function(a,b) return a*b end
}function calculate(operation, a, b)return (strategies[operation] or strategies.add)(a, b)
endprint(calculate("multiply", 3,4))  -- 输出 12

2. 工厂模式

local function create_user(name, age)return {name = name,age = age,greet = function(self)print("I'm", self.name)end}
endlocal alice = create_user("Alice", 30)
alice:greet()  -- 输出 I'm Alice

3. 观察者模式

local function observable()local listeners = {}return setmetatable({}, {__newindex = function(t,k,v)rawset(t, k, v)for _, listener in ipairs(listeners) dolistener(k, v)endend,add_listener = function(t, listener)table.insert(listeners, listener)end})
endlocal obj = observable()
obj:add_listener(function(key, value)print("Property changed:", key, value)
end)
obj.x = 10  -- 触发监听器输出

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七、调试与元信息

1. 获取函数信息

function example(a, b)return a + b
endprint(debug.getinfo(example).name)  -- 输出 "example"
print(debug.getupvalue(example, 1))  -- 查看闭包的上层变量（若有）

2. 函数重载（模拟）

local function overloaded(fn)local cache = {}return function(...)local key = table.concat({...}, "|")if not cache[key] thencache[key] = fn(...)endreturn cache[key]end
endlocal function process(a, b)return a + b
endlocal process_overloaded = overloaded(process)
print(process_overloaded(1,2))  -- 计算并缓存
print(process_overloaded(1,2))  -- 直接返回缓存结果

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八、常见问题与解决方案

问题1：函数参数过多时的处理

-- 使用表传递可选参数
function config(options)local defaults = {width=800, height=600}for k, v in pairs(options) dodefaults[k] = vendreturn defaults
endlocal cfg = config({height=400})
print(cfg.width, cfg.height)  -- 输出 800 400

问题2：递归深度过大导致栈溢出

-- 尾递归优化版本
function fibonacci(n, a, b)a = a or 0b = b or 1if n == 0 then return a endif n == 1 then return b endreturn fibonacci(n-1, b, a+b)
endprint(fibonacci(1000))  -- 不会导致栈溢出

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通过掌握这些函数特性与模式，你可以编写出高效、灵活的 Lua 代码。对于复杂场景，建议结合元编程和设计模式，同时注意性能优化细节。

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